[發明專利]一種柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010041180.3
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111211307B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 陳堅;陳達明;沈夢瑤
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/587;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 楊曉莉

本發明公開了一種柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料及其制備方法和在電化學儲能器件中的應用。本發明首先以聚丙烯腈PAN和金屬氧化物MO_x為原料，通過靜電紡絲得到柔性氧化物納米纖維MO_x@PAN；之后與升華硫混合，惰性氣氛下升溫進行熱處理，然后自然降溫，得到柔性金屬硫化物納米碳纖維MS_x@NCF；最后用酸刻蝕金屬硫化物得到柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維(SNCF)復合電極材料。本發明采用靜電紡絲、高溫處理和刻蝕法獲得柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料不僅具有大的比表面積而且硫氮摻雜使表面電荷儲存快速反應，明顯改善能源器件的循環穩定性，可用于作為鋰、鈉和鉀離子電池負極材料。

技術領域

本發明屬于材料學技術領域，特別是涉及一種柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料及其制備方法與應用。

背景技術

隨著社會的快速發展，能源與環境是人類可持續發展面臨的兩大主要問題。21世紀以來，能源成為大國興起的必要物質因素。然而，不可再生能源如石油、天然氣、煤等慢慢枯竭，因此可再生的清潔能源的發展迫在眉睫。目前為止，可充電的離子電池有望作為清潔能源成為新一代高效的儲能器件。鋰離子電池不僅因為其比容量高、循環穩定性長、無記憶效應、自放電效率低、環境污染小等優點廣泛應用于汽車，航天、生物醫學等各種領域當中。但是由于需求的增長，鋰金屬資源成本日益增長，以及資源日益枯竭等問題日益困擾人們。鋰、鈉和鉀屬于同一主族，并且具有類似的物理和化學性質，越來越得到人們的重視。鋰、鈉和鉀的標準還原電勢分別為-3.01、-2.71和-2.92V，具有類似的電化學性能，同時鈉和鉀的儲存量遠多于鋰，因此在降低成本和應用上具有一定的優勢。但是，鈉和鉀的離子半徑遠大于鋰離子的離子半徑。由于在充放電過程中會發生離子的嵌入和脫嵌，因此離子半徑過大會容易造成電極材料的結構坍塌，導致容量的快速衰減而引起性能的急劇降低。

為了克服上述問題，目前大多數的商業化的電池的負極材料主要是碳材料為主，其循環穩定性非常優異，但是其比容量低、導電性較差、倍率性能較低和活性位點較少等缺點，因此需要更進一步提高碳材料的電化學性能。硫氮共摻雜多孔碳纖維具有大的比表面積，容納的離子量大，超強的導電性能等優點。硫氮摻雜多孔碳能提供用于容納電荷的高表面積的多孔結構，摻雜氮的碳原子提供了增強的電解質潤濕性和電子導電性，同時具有高循環能力，使得在電化學中有很好的應用前景。此外，雜原子摻雜(如S和N)也是一種調節碳質材料化學和物理性質的有效手段，可以通過產生缺陷和氣孔來調節電子性質，增加碳的層間距離，增加碳材料的電化學性能。此外，與傳統粉末碳材料不同的是，本方法所制備的硫氮摻雜多孔碳為自支撐電極材料，可以直接作為電極材料而不用添加任何的添加劑，同時電極材料也可以充分接觸電解液，電極材料本身就是纖維，有利于加速電子和離子快速穿梭。因此，硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料基于以上優點，使得在電化學中有很好的應用前景。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，本發明提供了一種柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料及其制備方法與應用。

技術方案：本發明所述的一種柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)以聚丙烯腈(PAN)和金屬氧化物(MOx)為原料，通過靜電紡絲得到柔性氧化物納米纖維(MOx@PAN)；

(2)將步驟(1)得到的柔性氧化物納米纖維MOx@PAN和升華硫混合，惰性氣氛下進行高溫熱處理，然后自然降溫，得到柔性金屬硫化物納米碳纖維(MSx@NCF)；

(3)用酸浸泡刻蝕步驟(2)得到的柔性金屬硫化物納米碳纖維(MSx@NCF)，清洗干燥，得到柔性硫氮共摻雜多孔碳纖維(SNCF)復合電極材料。

其中，步驟(1)中，在室溫條件下，先將金屬氧化物(MO_x)溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超聲得到均勻溶液，然后將聚丙烯腈PAN粉末加入上述溶液中攪拌均勻，接著利用靜電紡絲儀器紡絲得到柔性氧化物納米纖維(MO_x@PAN)。