本发明专利技术涉及一种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法。它是利用静电纺丝技术制备掺杂铁盐和石墨烯的聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维，通过预氧化和高温碳化得到掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料。具体制备方法为：在聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯的混合溶液中加入一定量的铁盐和氧化石墨烯，经超声分散和高速搅拌溶解后得到静电纺丝溶液，将静电纺丝所得纳米纤维在200-300℃条件下预氧化，在500-1000℃条件下碳化后得到掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料。本发明专利技术制备的掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料有效地协同两者的电化学性能，提高电池的比容量，首次充放电效率和循环性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料及 其制备方法，应用于锂电池电极材料，具体涉及化学能源储能
技术介绍
能源问题是人类所面临的最大的挑战之一，为解决这一问题，人们不断努力发展 新型能源，与此同时也对储能技术也提出了越来越高的要求。而锂离子电池自从上世纪90 年代商品化以来，一直在便携式电子产品市场占有主导地位。与此同时，随着手机、数码相 机、笔记本电脑等众多移动电子设备进一步向小型化方向发展，人们对体积小、能量高的新 型电源的需求也越来越迫切，因此开发具有更高容量、更长寿命以及可以实现快速充放电 的锂离子电池的新型电极材料成为材料科学的研究热点。目前，商业化采用的锂电池负极 材料主要由石墨类碳材料，但是石墨的理论容量仅有372mAh/g，因此开发具有更高的充放 电比容量、稳定性以及更长的循环寿命和成本低的电极材料成为目前的研究重点。与碳材 料相比，金属氧化物，如511、31、3110 2、(：〇304、？6203和？6 304等，具有更高的理论容量。？6 304是 颇具发展潜力的负极材料之一，具有比容量高（926 mAh/g)电子导电性好（〇 = 2 X 104S / m，优于其他过渡金属氧化物)、价格低廉、资源丰富、无毒及对环境友好等特点，但在嵌脱锂 过程中会发生巨大的体积变化和严重的粒子团聚，导致电荷和Li +传输及扩散性能较差， 作为负极材料的循环稳定性差、倍率性能不高。 静电纺丝是一种廉价且高效的制备碳纳米纤维以及碳复合纤维材料的有效方法。 近年来，通过静电纺丝技术制备碳纤维包覆的电极材料已被证明可以有效提高材料的电化 学性能，一方面这是由于碳包覆提高了材料的电导率，另一方面外侧所包覆的碳层也限制 了颗粒的长大从而缩短了锂离子的扩散路径。另外，石墨烯具有良好的导电性、力学性能和 较大的比表面积而被广泛的应用在锂电池正负极材料中。石墨烯独特的层状结构使其作为 电极材料时可以缓冲充放电过程体积的变化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负 极材料及其制备方法。利用静电纺丝技术制备含有铁盐和氧化石墨烯的聚丙烯腈和聚甲酯 丙烯酸甲酯复合纳米纤维，经过预氧化、高温碳化得到掺杂四氧化三铁/石墨烯多孔碳纳 米纤维材料。这种锂电池负极材料含有石墨烯和碳纳米纤维网络，可以增加电极材料的导 电性，提高锂离子和电子的传输速度。多孔的网络结构有利于缓冲四氧化三铁纳米粒子在 充放电过程中的体积膨胀，显著地提高电池的循环性能和倍率性能。 本专利技术目的的技术方案是，提供了一种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤 维锂电池负极材料，它是由碳、四氧化三铁和石墨烯构成，其质量比为65:20-40:1-10,孔隙 率500-1000cm 3 g_1。这种锂电池负极材料微孔尺寸为2-10nm，所述的多孔纳米纤维的直径 为100-300nm，所述的四氧化三铁以纳米粒子的形式分布于多孔纳米纤维中，粒子的尺寸为 l〇-25nm〇 掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料的制备方法，采用如 下步骤： (1) 将氧化石墨烯放进N-N二甲基甲酰胺中，超声分散5-10h后，加入聚丙烯腈粉末、聚 甲基丙烯酸甲酯粉末和铁盐，在80°C条件下搅拌3_6h，得到静电纺丝溶液，聚丙烯腈的质 量分数为6%-10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为5%-10%，铁盐的质量分数为20%-30%; (2) 将步骤（1)中所得的静电纺丝液转移至注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为 10-30kv，纺丝流量为0. 1-2. 0ml/h，针尖与接收板之间的距离为10-30 cm; (3) 将步骤（2)中所得的纳米纤维在空气气氛下在200-300°C条件下进行预氧化，随 后转移至碳化炉中，在氩气/氮气保护下，以2-10°C /min的速率升到500-1000°C，处理 5-10h，得到掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维； (4) 将步骤（3)中所得的多孔纳米纤维，利用聚偏氟乙烯/乙炔黑粘结剂粘贴在铜箱 上，随后转移至烘箱中在100_200°C条件下干燥2h，得到锂电池电极材料。所述的粘结剂聚 偏氟乙稀/乙炔黑的质量比为1: 1。 本专利技术步骤（1)中所述的聚丙烯腈粉末的分子量为5-15万，聚甲基丙烯甲酯的分 子量为5-15万，所述的铁盐为乙酰丙酮铁、硝酸铁、氯化铁。与现有的锂电池负极材料及其制备方法相比，本专利技术具有以下优点： (1) 采用静电纺丝技术与碳化相结合制备掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维 锂电池负极材料，具有比表面积大、成本低、加工过程简单等优点； (2) 本专利技术制备的掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料具有较 大的孔隙率，可以充分地缓解四氧化三铁纳米粒子在充放电过程中体积的变化，有利于电 解液的扩散和渗透，另外，石墨烯还可以增加材料的导电性，因此显著地提高了电池的循环 稳定性和倍率性能。【附图说明】图1为掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维的放大倍数为1万倍的SEM照 片； 图2为掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维的放大倍数为10万倍的SEM照片。【具体实施方式】 下面结合实例对本专利技术进一步描述。 -种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料，它是由碳、四 氧化三铁和石墨烯构成，其质量比为65:20-40:1-10,孔隙率500-1000cm 3 g_1。这种锂电池 负极材料微孔尺寸为2-10nm，所述的多孔纳米纤维的直径为100-300nm，所述的四氧化三 铁以纳米粒子的形式分布于多孔纳米纤维中，粒子的尺寸为l〇-25nm。 实施例1 掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料的制备方法，采用如下步 骤： (1) 将氧化石墨烯放进N-N二甲基甲酰胺中，超声分散8h后，加入聚丙烯腈粉末、聚甲 基丙烯酸甲酯粉末和铁盐，在80°C条件下搅拌4h，得到静电纺丝溶液。聚丙烯腈的质量分 数为6-10%，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为5-10%，铁盐的质量分数为20-30% ; (2) 将步骤（1)中所得的静电纺丝液转移至注射器中进行静电纺丝。纺丝电压为 10-30kv，纺丝流量为0. 1-2. 0ml/h，针尖与接收板之间的距离为10-30 cm ; (3) 将步骤（2)中所得的纳米纤维在空气气氛下在200-300°C条件下进行预氧化，随后 转移至碳化炉中，在氩气/氮气保护下，以2-10°C /min的速率升到600°C，处理5-10h，得到 掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维； (4) 将步骤（3)中所得的多孔纳米纤维，利用聚偏氟乙烯/乙炔黑粘结剂粘贴在铜箱 上，随后转移至烘箱中在100_200°C条件下干燥2h，得到锂电池电极材料。所述的粘结剂聚 偏氟乙稀/乙炔黑的质量比为1:1 ; 表1显示了掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料在不同倍率下 的放电比容量。掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维的SEM照片如图1 (图中放大 倍数为1万倍和十万倍）所示，由图1可以看出，本专利技术制备的掺杂石墨烯的多孔碳/四氧 化三铁当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料，其特征在于：所述掺杂石墨烯的多孔碳/四氧化三铁纳米纤维锂电池负极材料由碳、四氧化三铁和石墨烯构成，碳、四氧化三铁和石墨烯的质量比为65:20‑40:1‑10，孔隙率为500‑1000cm3 g−1。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何建新，连艳平，韩啟明，王利丹，谭卫琳，丁彬，崔世忠，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南;41
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