[發明專利]一種復合微納中空纖維材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911347006.5
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111088562B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 于樂;李念武;陳晨;何心
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F9/21;D01F1/08;D01F1/10;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 黃越;黃海麗

本發明涉及一種復合微納中空纖維材料及其制備方法和用途。所述復合微納中空纖維材料為內部包裹有金屬單質，或合金，或金屬化合物多孔中空納米棱柱的碳納米纖維，所述金屬化合物為金屬硫化物、磷化物、硒化物中的至少一種，所述金屬化合物含有鐵、鎳、鈷中的至少一種金屬元素，所述合金含有鐵、鎳、鈷中的至少兩種金屬元素。所述復合微納纖維作為鋰金屬負極載體時，其內部所具備的多級中空結構有利于電解液在纖維內部的滲透和擴散，更為纖維內部鋰的沉積提供了空間。其次，載體中金屬硫化物、磷化物、硒化物、或金屬單質，或合金具有較好的親鋰性質，有助于金屬鋰在碳纖維內部的沉積。

技術領域

本發明屬于能源及納米材料制備技術領域，具體涉及一種復合微納中空纖維材料及其制備方法和應用。

背景技術

儲能領域、新能源汽車領域和消費電子領域對具有高能量密度及良好安全性能的下一代鋰離子電池的需求極為迫切。金屬鋰具有優異的理論比容量(3860mAh g^-1)和最低的電化學電勢，作為鋰金屬電池負極材料具有天然優勢，被認為是高能量密度電池的最終解決方案。但鋰金屬電池的實際應用中仍面臨巨大挑戰，例如在反復充放電過程中，金屬鋰負極容易產生樹枝狀的鋰枝晶，對電池的性能造成極大的損害。一方面，鋰枝晶會與電解液反應，消耗金屬鋰及電解液，另一方面，脫離鋰金屬負極基底的鋰枝晶，其電子通道被切斷，無法參與電化學反應，形成“死鋰”，使得金屬鋰負極的循環效率降低。此外，金屬鋰枝晶的不斷生長會刺穿隔膜，造成電池正負極短路，嚴重會引起電池爆炸，進而影響電池的庫倫效率和循環性能。

發明內容

為改善上述問題，本發明提供了一種復合微納中空纖維材料，其為內部包裹有金屬單質、或合金、或金屬化合物基多孔中空納米棱柱的碳納米纖維，所述金屬化合物為金屬硫化物、金屬磷化物、金屬硒化物中的至少一種。

在一個實施方案中，所述金屬化合物含有鐵、鎳、鈷中的至少一種金屬元素，所述合金含有鐵、鎳、鈷中的至少兩種金屬元素，或者所述金屬單質為鐵、鎳、鈷中的任一種。

根據本發明的實施方案，當金屬化合物或合金中含有兩種金屬元素時，其摩爾比為1:9～9:1，例如含有摩爾比為1:9～9:1的鎳鈷金屬元素。

根據本發明的實施方案，所述碳納米纖維內部包括金屬硫化物、金屬磷化物、金屬硒化物中至少一種的多孔中空納米棱柱，或金屬單質多孔中空納米棱柱、或合金多孔中空納米棱柱。

根據本發明的實施方案，所述多孔中空納米棱柱的長度為0.5～3μm，寬度為0.1～1μm；例如長度為0.8～2.5μm，寬度為0.2～0.8μm。

根據本發明的實施方案，所述碳納米纖維的直徑為0.001～3μm，例如0.1～2μm。

根據本發明示例性的實施方案，所述復合微納中空纖維材料為內部包裹有鎳鈷硫化物、鎳鈷磷化物、鎳鈷硒化物中至少一種、或鎳金屬單質、或鈷金屬單質、或鎳鈷合金的多孔中空納米棱柱的碳納米纖維。

根據本發明的實施方案，所述合金具有本領域已知的含義，是指由兩種以上的金屬與非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質，例如本文中是指兩種以上金屬的醋酸鹽氫氧化物前驅體直接在惰性氣體氛圍中高溫退火獲得的物質。本發明還提供上述復合微納中空纖維材料的制備方法，包括如下步驟：

S1)將聚乙烯吡咯烷酮及金屬醋酸鹽溶于醇類溶劑中，形成混合溶液，加熱反應得到金屬基醋酸鹽氫氧化物前驅體；

S2)將步驟S1)所得金屬基醋酸鹽氫氧化物前驅體與成纖聚合物分別分散于酰胺類溶劑中，分別形成兩種前驅體溶液，兩種前驅體溶液混合得到紡絲液，通過靜電紡絲，將紡絲液制成微納纖維所組成的薄膜材料；