[發明專利]一種鋰/鈉離子電池柔性自支撐碳纖維負極材料及制備方法

在審

• 申請號: 201910601320.5
• 申請日: 2019-07-04
• 公開（公告）號: CN112186141A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 時志強;任慶娟;王靜
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/054;D01F9/24;D04H1/4242;D04H1/728
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發明采用甲階段酚醛單體和PVA或其他高聚物的混合溶液，并將常用的鋰離子電池和鈉離子電池的負極活性材料如磷、硅、硅氧化物、金屬氧化物、金屬硫/磷化物等及其他含雜質元素的物質，均勻分散在酚醛單體和PVA或其他高聚物的混合溶液中；然后通過靜電紡絲制備成纖維膜，再將其在保護氣氛下熱解炭化，得到摻雜或者不摻雜活性材料的不同石墨化程度的柔性自支撐負極材料。本發明制備工藝簡單，纖維直徑可控，并且將此柔性負極材料用于鋰和鈉離子電池中。作為柔性自支撐負極材料，無需使用常規鋰和鈉離子電池負極制備過程中必須使用的金屬集流體、導電添加劑和粘結劑，操作簡單，具有良好的導電性、離子傳導性、較高的電池比容量和倍率性能。

技術領域

如下說明書涉及一種或多種電池負極材料的制備方法及所制備的復合材料，具體涉及一種或多種用于鋰和鈉離子電池的柔性碳纖維負極材料及其制備方法。

背景技術

近年來，由于便攜式和可穿戴市場的快速增長，對高性能的柔性動力和儲能能量系統的需求也越來越迫切。石墨是較早應用在鋰離子電池中的碳材料，也是目前廣泛應用在商品化鋰離子電池中的負極材料，但是石墨做負極材料的鋰離子電池首次充電效率低，循環性能差，而且由于層間距小，應用在鈉離子電池時，由于Na⁺具有較大的直徑(大于Li+的)以及較難形成穩定的石墨插層Na⁺化合物，使得其存儲Na⁺能力很差。不僅如此，石墨類的負極材料在制作電極的過程中需要添加導電劑，粘結劑和集流體，很難將其制備成柔性電極。

硬碳(HC)材料具有無序亂層的石墨微晶結構、更大的平均層間距和豐富的孔成為最有潛力的負極材料，金屬離子在嵌入與脫嵌過程中體積變化程度非常小，堿金屬離子可以進入層間以及層間微孔，緩沖嵌入造成的體積膨脹。另外，硬碳(HC)材料中通常含有大量來自前驅物的氫、氧、氮等元素，這些都可能與堿金屬發生結合或者吸附作用，使得硬炭材料的比容量通常比石墨高。

目前，制備柔性電極材料的技術通常將碳納米管、石墨烯等浸潤或者涂覆在柔性的基體上，但是這種技術主要依托于基體的柔韌度，與電極材料本身結構并沒有較大的聯系(專利CN201811377149.6，CN201710421452.0)，本專利通過簡單的合成過程制備硬炭前驅體，然后利用靜電紡絲技術直接制備的碳纖維膜，不需要添加集流體和粘結劑，可以實現制作柔性電極的工藝。由于電極不需要集流體和導電劑，大大降低了不可逆容量的產生，使得首次庫倫效率增加，電化學性能上升，本發明制備的自支撐碳纖維負極材料，合成工藝簡單，簡化了整個電極片的工藝流程，可以應用到鋰離子電池和鈉離子電池中。

發明內容

本發明提供了可以直接制備出柔性碳膜的一種或多種方法，可以得到纖維形貌可控的碳纖維膜。如果添加了活性材料，活性材料可以均勻分散在纖維中。將該材料直接用作鋰離子電池和鈉離子電池負極材料，可以不添加傳統的粘結劑和導電劑，而且不需要添加集流體。經過充放電性能和循環性能測試，材料的電化學性能優異，而且多次循環后極片結構保持完整。

技術方案

一種鋰/鈉離子電池柔性自支撐碳纖維負極材料及制備方法，其特征在于：該材料是由多孔碳纖維或者添加了常用電池負極活性材料的多孔碳纖維組成的膜狀材料，其中纖維分布均勻，纖維直徑可調，直徑分布在100nm-1μm；無定形碳的質量分數為1％-100％，活性材料的質量分數為99％-0％。

一種鋰/鈉離子電池柔性自支撐碳纖維負極材料及制備方法，按如下步驟進行：