[發明專利]狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法及其制備的纖維及電極

有效

• 申請號: 202010113176.3
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111206303B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 于洪全;陳寶玖;孫佳石;程麗紅;張金蘇;李香萍;徐賽
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: D01F8/18
• 分類號: D01F8/18;D01F1/09;H01G11/46;H01G11/86
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 劉麗媛;楊威

本發明公開了一種狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法，以鈷鹽和鎂鹽為鈷酸鎂的來源，以聚乙烯吡咯烷酮為碳源，以微量石墨烯量子點為紡絲液導電添加劑，采用靜電紡絲技術制備前驅體纖維，將前驅體纖維進行預氧化和碳化，得到狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維。本發明還公開了上述方法制備的狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維以及使用上述復合納米纖維制備的電容器的電極。本發明的狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維具有優異的電化學性能，本發明的電極易與電解液的各種離子接觸，具有較高的充放電速率，為有效釋放鈷酸鹽體積變化引起的機械應力提供良好的電子載體和緩沖基體，解決了充放電過程中容易發生膨脹和收縮的問題。

技術領域

本發明涉及復合納米纖維的制備技術領域，具體涉及一種狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法及其制備的纖維及電極。

背景技術

超級電容器，又稱電化學電容器，具有高于電池的功率密度和傳統靜電電容器的能量密度，并同時具有穩定的循環性能、更寬的工作溫度范圍及節能、安全、環境友好等特點而成為當下受矚目的儲能裝置，可作為備用或獨立電源應用于通信、電力、交通重要領域。

由于傳統電極材料充放電過程中容易發生膨脹和收縮問題，金屬氧化物材料具有穩定的晶體結構和較高的比容量最近被人們廣泛關注。目前金屬氧化物電極材料性能最優異的是氧化釕，它可有極高的比電容值，導電性良好，但釕是貴金屬，價格昂貴且具有毒性，因而限制了它大規模應用。

發明內容

本發明針對以上問題的提出，而研究設計一種狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法及其制備的纖維及電極。本發明采用的技術手段如下：

一種狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法，以鈷鹽和鎂鹽為鈷酸鎂的來源，以聚乙烯吡咯烷酮為碳源，以石墨烯量子點為紡絲液導電添加劑，采用靜電紡絲技術制備前驅體纖維，將前驅體纖維進行預氧化和碳化，得到狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維。鈷鹽和鎂鹽具體可以為硝酸鹽或醋酸鹽。

進一步地，所述狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維的制備方法包括以下步驟：

S1、將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，得到質量分數為15-20wt％的PVP溶液；

S2、將Mg(Ac)₂·4H₂O、Co(Ac)₂·4H₂O和石墨烯量子點與步驟S1得到的PVP溶液混合，得到前驅體溶液，所述前驅體溶液中組分的質量份數比為Mg(Ac)₂·4H₂O：Co(Ac)₂·4H₂O：石墨烯量子點：PVP：DMF＝(1.7-1.8):(4.0-4.2):(0.5-0.2):(14.3-18.5):(79.5-75.3)；

S3、使用步驟S2得到的前驅體溶液進行靜電紡絲，紡絲電壓為8-15kV，紡絲接收距離為10-20cm，得到前驅體纖維；

S4、將前驅體纖維進行干燥，將干燥后的前驅體纖維進行預氧化和碳化，得到狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維。

進一步地，步驟S3中，靜電紡絲的空氣濕度為30％±10％；步驟S4中，干燥溫度為80-150℃，干燥時間3-12小時，預氧化的方法為在180-250℃下預氧化2-4小時，碳化的方法為無氧煅燒，無氧煅燒的溫度為650-750℃，保溫時間為4-8小時，自然冷卻，得到狼牙棒結構的鈷酸鎂/碳復合納米纖維。

進一步地，步驟S1中，PVP溶液的質量分數為18％；步驟S2中，Mg和Co的摩爾比為1:2；步驟S3中，紡絲電壓為10kV，紡絲接受距離為14cm；步驟S4中，烘干溫度為80℃，干燥時間3小時，預氧化的方法為在200℃下預氧化2小時，無氧煅燒的溫度為700℃，保溫時間為4小時。

進一步地，碳化的方法為在氬氣的氣氛中進行無氧煅燒。