[發(fā)明專利]一種碳化鈦/碳納米膜材料的制備方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113224293B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 余佳閣;楊宇航;丁瑜;張賢;王鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北工程學(xué)院
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 祝蓉蓉

本發(fā)明提供了一種碳化鈦/碳納米膜材料的制備方法及其應(yīng)用，該納米膜材料由聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚苯并咪唑和鈦源在DMF中按照限定濃度進(jìn)行反應(yīng)制備成紡絲前驅(qū)體溶液，將紡絲前驅(qū)體溶液進(jìn)行靜電紡絲得到前驅(qū)體薄膜，將前驅(qū)體薄膜烘干后在空氣中預(yù)氧化，再在惰性氣體氛圍中分兩步高溫煅燒，得到具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳化鈦/碳納米膜材料。將該碳化鈦/碳納米膜材料用作鋰離子電池負(fù)極自支撐材料，具有導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，可以使鋰離子電池完全不使用剛性集流體、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等非活性材料，大大提高了電池的整體能量密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，具體涉及一種碳化鈦/碳納米膜材料的制備方法及將該材料用作鋰離子電池自支撐負(fù)極材料

背景技術(shù)

目前商業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極材料都需要采用銅箔作為集流體，來增強(qiáng)材料導(dǎo)電性的同時(shí)提升其機(jī)械強(qiáng)度。然而，銅箔在整個(gè)電池體系中質(zhì)量占比大且無法提供容量。在負(fù)極材料開發(fā)日趨成熟的大背景下，工業(yè)上一直通過各種方法減薄銅箔厚度，從而提升電池的整體能量密度。因此，亟需開發(fā)自支撐材料徹底摒棄集流體從而極大提高電池的整體能量密度。目前報(bào)道的自支撐材料，大多存在機(jī)械強(qiáng)度不夠，導(dǎo)電性差的問題。碳化鈦(TiC)作為研究較為廣泛的碳化物之一，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高楊氏模量、導(dǎo)電性好、較好的化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性，而被廣泛用作催化劑載體、氣相反應(yīng)催化劑、電化學(xué)催化劑、電容器電極等。由于其不具備儲鋰容量，目前僅有少量研究將其作為導(dǎo)電成分應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。

CN107732170A中公開了一種高效鋰金屬復(fù)合材料及其制備方法，通過化學(xué)氣相沉積法合成了TiC/C三維多孔骨架層，以此為載體，通過熔融鋰浸潤法，制備高效鋰金屬復(fù)合材料。

CN108649189A中公開了一種碳化鈦/碳核殼納米線陣列負(fù)載氮摻雜鈦酸鋰復(fù)合材料的制備方法，利用原子層沉積技術(shù)在鈦網(wǎng)上生長三氧化二鋁；利用化學(xué)氣相沉積法在鈦網(wǎng)上生長碳化鈦/碳核殼納米線陣列復(fù)合材料；再將碳化鈦/碳核殼納米線陣列復(fù)合材料置于溶液中進(jìn)行水熱反應(yīng)，產(chǎn)物洗滌、干燥、煅燒后得到LTO@TiC/C材料。

上述現(xiàn)有技術(shù)都需要在TiC/C復(fù)合材料中摻雜鋰金屬化合物，目前還未發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)有技術(shù)制備出不摻雜金屬鋰化合物的柔性TiC/C納米膜材料作為鋰離子自支撐電極材料的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

為了制備出柔性TiC/C納米膜材料，本發(fā)明依次采用靜電紡絲法、兩步煅燒碳化法，實(shí)現(xiàn)了碳化鈦的均勻成膜，得到了具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TiC/C納米膜材料。由于該膜材料是通過原位煅燒得到的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以很好控制碳化鈦的晶粒生長，整體膜材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和極好的導(dǎo)電性，將該材料應(yīng)用作為自支撐鋰電負(fù)極材料時(shí)具有極好的電化學(xué)性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種碳化鈦/碳納米膜材料的制備方法，采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

S1、在50～80℃溫度下，將聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚苯并咪唑、鈦源分別按照與N,N-二甲基甲酰胺的質(zhì)量比為(0.1～1):3，(0.1～0.5):3，(0.1～0.5):3，(0.1～1):3的量加入到N,N-二甲基甲酰胺中，攪拌6～24h，形成紡絲前驅(qū)體溶液；將紡絲前驅(qū)體溶液通過靜電紡絲得到前驅(qū)體薄膜，置于55～65℃下真空干燥12h，備用；

S2、在空氣氛圍下，將S1中得到的紡絲前驅(qū)體薄膜以1～10℃/min的速率升溫至100～300℃，保溫1～5h；然后在氮?dú)夥諊拢?℃/min的速率升溫至550～650℃保溫2h得到TiO₂/C納米膜材料；

S3、在氬氣氛圍下，將S2中得到的TiO₂/C納米膜材料以5～20℃/min的速率升溫至1000～1800℃，保溫2～10h得到碳化鈦/碳納米膜材料。