[發明專利]一種金屬氧化物/碳纖維復合膜材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110614765.4
• 申請日: 2021-06-02
• 公開（公告）號: CN113363457B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 嚴大洲;王宇;萬燁;梁君;曾曉國;楊濤
• 申請（專利權）人: 洛陽中硅高科技有限公司;中國恩菲工程技術有限公司
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525;D01F9/21;D01F1/10;D01D5/00;D04H1/728;D06C7/04
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 梁文惠

本發明提供了一種金屬氧化物/碳纖維復合膜材料及其制備方法和應用。該金屬氧化物/碳纖維復合膜材料包括銅箔基體和負載在銅箔基體表面上的靜電紡絲纖維膜，靜電紡絲纖維膜直接附著在銅箔基體上，該靜電紡絲纖維膜包括碳纖維和金屬氧化物，金屬氧化物負載在碳纖維中。通過靜電紡絲技術得到初紡纖維后，不需將初紡纖維從銅箔接收基體上剝離，直接在管式爐中采用一步熱處理法，即可得到緊密附著于銅箔基體上的金屬氧化物/碳纖維復合膜。直接裁剪后作為鋰離子電池負極使用，無需額外添加粘結劑，也不需再與銅箔集流體進行復合，簡化了電極的制備過程。此外，纖維膜與銅箔之間牢固的結合可有效減少在充放電過程中的活性物質脫落，提高材料循環壽命。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料領域，具體而言，涉及一種金屬氧化物/碳纖維復合膜材料及其制備方法和應用。

背景技術

開發具有高比容量、高倍率性能和長循環壽命的電極材料是提升鋰離子電池性能的關鍵，特別是對新能源電動汽車領域意義重大。SnO₂基負極材料以其高比容量、低成本等優勢成為鋰離子電池領域研究的熱點。但SnO₂在充放電過程中因體積不斷收縮和膨脹使材料破碎粉化，脫離集流體，導致電池循環性能差，容量衰減嚴重；且其導電性差使高倍率性能難以提升，阻礙該材料進一步商業化應用。

研究表明，通過減小SnO₂納米粒子的尺寸、構筑空心或多孔結構進行體積緩沖，或與其它金屬氧化物相復合，并進行表面碳包覆等方式，可有效提高SnO₂基材料的儲鋰性能。但如何開發簡單且易于規模化生產的合成方法是目前研究的重點和難點。利用靜電紡絲技術制備一維碳復合SnO₂基納米負極材料在這方面很有潛力。首先，一維結構具有較高的軸向電子電導率以及較短的徑向離子擴散路徑，有助于提高材料的儲鋰容量和倍率性能。其次，通過靜電紡絲中聚合物的后續熱處理得到碳基體通常具有多孔結構，且一維材料之間搭接形成的連通的三維孔洞也有利于電解液的快速浸潤，縮短鋰離子的擴散距離。更重要的是，靜電紡絲法制備簡單，具有普適性，可方便合成多組分復合材料，在規模化合成方面具有得天獨厚的優勢。

目前利用靜電紡絲法制備錫基納米纖維負極材料專利有：中國專利申請CN102751475A報道了一種利用靜電紡絲法，通過預氧化和碳化處理兩步得到錫鈷合金碳納米纖維薄膜離子電池負極材料的制備方法；中國專利申請CN104916830A采用相似的方法制備了錫基鋰離子電池負極材料，其由多孔碳納米纖維及表面負載的錫納米顆粒組成。中國專利申請CN103022501A采用球磨與靜電紡絲相結合的辦法制備了錫碳復合鋰離子電池負極材料。中國專利申請CN104319372A在錫鹽的靜電紡絲液中加入氧化石墨烯，紡絲產物在高溫下兩次退火得到均勻負載Sn-SnO_x的碳纖維氈的納米復合材料；中國專利申請CN106159210A通過在紡絲液中加入石墨烯，制備了碳/錫/石墨烯復合納米纖維。中國專利申請CN108321376A先通過靜電紡絲法制備出含ZIF-8的納米纖維，再在惰性氣體保護下經過高溫鍛燒，制得多孔碳納米纖維，然后通過水熱法在多孔碳納米纖維的外表面包覆一層SnO₂納米顆粒，最后在上述材料外面包一層聚吡咯，再經高溫鍛燒，即得N摻雜的CNF@SnO₂納米纖維鋰離子電池負極材料。

上述方法均不同程度地提高了錫基負極材料的電化學性能，但為了保持纖維的穩定性，熱處理過程通常需要分幾步完成，一般包括干燥（100℃以內），低溫預處理（250~300℃）和高溫熱處理（≥600℃）三步完成。而且靜電紡絲纖維膜需要與接收基體分離后再進行后續的干燥、熱處理，造成了制備方法復雜的問題。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種金屬氧化物/碳纖維復合膜材料及其制備方法和應用，以解決現有技術中二氧化錫基鋰電池負極材料制備方法復雜的問題。