钠离子电池用四氧化三钴碳纳米纤维的电纺丝制备方法技术

钠离子电池用Co

Electrospinning process for preparing four co three carbon nanofibers from sodium ion batteries

Co for sodium ion batteries

【技术实现步骤摘要】
钠离子电池用四氧化三钴碳纳米纤维的电纺丝制备方法
本专利技术属于钠离子电池负极材料
，具体涉及钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法。
技术介绍
过去的数十年，锂离子电池以其较高的能量密度和较长的使用寿命在各类便携式电子设备、电动车中得到广泛应用。但是锂资源有限，价格昂贵，一定程度上限制了锂离子电池的大规模应用。钠与锂在元素周期表中处于同一主族，具有相似的物理化学性质。钠离子电池由于钠资源蕴藏量丰富、环境友好受到了广泛关注。钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题，被认为是替代锂离子电池作为大规模储能电站配备电源及下一代电动汽车动力电源的理想选择。然而，由于钠离子的半径要比锂离子的半径大55％，导致电化学反应过程中钠离子扩散速度慢，很难嵌入和脱嵌于已经商业化的锂离子电池负极材料石墨粉。因而寻找合适的钠离子电池负极材料成为钠离子电池研究的热点。过去的十几年时间里，科研工作者对钠离子电池的正极材料开展了广泛的研究，但对钠离子电池负极材料的研究仍处于起步阶段。在现有的钠离子电池负极材料体系中，碳纳米纤维具有良好的冲放电循环稳定性，但其可逆比容量太低(小于300mAhg-1)，不能满足高比容量钠离子电池商业化应用的需求。已有的研究结果表明，过渡金属氧化物作为钠离子电池负极材料具有很高的理论可逆比容量(约1000mAhg-1)。RahmanM.M.等人(Chem.Commun.，50(2014)5057-5060)报道了Co3O4粉末作为钠离子电池负极材料的研究结果：在25mAg-1的电流密度下，循环50次后，其可逆比容量仍保持在447mAhg-1。但是由于Co3O4本身电子/离子电导率较低，从而降低了它作为电极材料的倍率性能，再加上其复杂的电极制造工艺，限制了其作为钠离子电池负极材料的大规模使用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，制备的Co3O4碳纳米纤维将Co3O4的较高可逆比容量和碳纳米纤维的较高电子/离子电导率结合起来，具有工艺简单、成本低的优点。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.14～0.29g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.08～0.15g/mL；所述的Co2+盐选自氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的任意一种；所述的有机溶剂选自乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一种；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；2)电纺丝法制备Co2+盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co2+盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压12～25kV；喷头到接收板的间距8～20cm；环境湿度30～60％；3)Co3O4碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co2+盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co3O4碳纳米纤维，预氧化的参数为：升温速率为0.5～6℃/min；煅烧温度为300～400℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气；碳化的参数为：升温速率为3～8℃/min；煅烧温度为700～900℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气。根据上述方法制备的Co3O4碳纳米纤维，其Co3O4纳米晶体的形貌为超薄六方纳米片状，粒径为5～20nm，均匀地嵌在直径约为150nm的碳纳米纤维中，Co3O4碳纳米纤维用于钠离子电池负极材料。本专利技术的有益效果为：本专利技术利用电纺丝法和空气气氛煅烧工艺，制备钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维负极材料，进一步提高Co3O4碳纳米纤维比表面积。制备的Co3O4碳纳米纤维具有独特的超薄纳米片与多孔碳纳米纤维之间交联镶嵌结构，有效地促进电解液的渗透和电子/离子的转移，缩短钠离子在材料中的扩散路径，有利于钠离子的嵌入和脱嵌。在100mAg-1的电流密度下，其首次放电可逆比容量可达到654mAhg-1，循环60次后，其可逆比容量保持在518mAhg-1，在大电流密度下具有较好的容量保持率和较好的循环稳定性，将其应用于钠离子电池负极具有优异的充放电倍率性能，满足钠离子电池大容量能量存储的应用需求，具有工艺简单、成本低的优点。附图说明图1(a)和图1(b)是实施例1中前驱体纳米纤维的SEM图像；图1(c)和(d)是实施例1制备的Co3O4碳纳米纤维的SEM图像。图2是实施例1制备的Co3O4碳纳米纤维在100mAg-1的电流密度下的循环性能图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作详细描述。实施例1，钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.14g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.08g/mL；所述的Co2+盐为硝酸钴；所述的有机溶剂为乙醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；2)电纺丝法制备Co2+盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co2+盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压15kV；喷头到接收板的间距12cm；环境湿度50％；3)Co3O4碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co2+盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co3O4碳纳米纤维，预氧化的参数为：升温速率为2℃/min；煅烧温度为350℃；煅烧时间为2h；煅烧气氛为空气；碳化的参数为：升温速率为4℃/min；煅烧温度为800℃；煅烧时间为2h；煅烧气氛为空气。图1(a)和(b)是本实施例的Co2+盐/PVP复合纤维膜的SEM图像，从图中可看出复合纤维膜具有光滑的表明形貌；图1(c)和(d)是本实施例Co3O4碳纳米纤维的SEM图像，从图中可看出该类材料具有独特的超薄纳米片与多孔碳纳米纤维之间交联镶嵌结构，可有效促进电解液的渗透和电子/离子的转移，缩短钠离子在材料中的扩散路径，有利于钠离子的嵌入和脱嵌。图2是本实施例Co3O4碳纳米纤维，在100mAg-1的电流密度下的循环性能图，从图可看出该材料首次放电可逆比容量可达到654mAhg-1，循环60次后，其可逆比容量保持在518mAhg-1，表明Co3O4碳纳米纤维负极材料在大电流密度下具有较好的容量保持率和较好的循环稳定性，将其应用于钠离子电池负极具有优异的充放电倍率性能。实施例2，钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.16g/mL；然后再给混合溶液加入本文档来自技高网...

【技术保护点】
钠离子电池用Co

【技术特征摘要】
1.钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.14～0.29g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.08～0.15g/mL；所述的Co2+盐选自氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的任意一种；所述的有机溶剂选自乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一种；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；2)电纺丝法制备Co2+盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co2+盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压12～25kV；喷头到接收板的间距8～20cm；环境湿度30～60％；3)Co3O4碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co2+盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co3O4碳纳米纤维，预氧化的参数为：升温速率为0.5～6℃/min；煅烧温度为300～400℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气；碳化的参数为：升温速率为3～8℃/min；煅烧温度为700～900℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气。2.根据权利要求1所述的方法制备的Co3O4碳纳米纤维，其特征在于：其Co3O4纳米晶体的形貌为超薄六方纳米片状，粒径为5～20nm，均匀地嵌在直径约为150nm的碳纳米纤维中。3.根据权利要求1所述的钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.14g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.08g/mL；所述的Co2+盐为硝酸钴；所述的有机溶剂为乙醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；2)电纺丝法制备Co2+盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co2+盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压15kV；喷头到接收板的间距12cm；环境湿度50％；3)Co3O4碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co2+盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co3O4碳纳米纤维，预氧化的参数为：升温速率为2℃/min；煅烧温度为350℃；煅烧时间为2h；煅烧气氛为空气；碳化的参数为：升温速率为4℃/min；煅烧温度为800℃；煅烧时间为2h；煅烧气氛为空气。4.根据权利要求1所述的钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.16g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.10g/mL；所述的Co2+盐为氯化钴；所述的有机溶剂为甲醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；2)电纺丝法制备Co2+盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co2+盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压12kV；喷头到接收板的间距8cm；环境湿度35％；3)Co3O4碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co2+盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co3O4碳纳米纤维，预氧化的参数为：升温速率为1℃/min；煅烧温度为300℃；煅烧时间为2.5h；煅烧气氛为空气；碳化的参数为：升温速率为4℃/min；煅烧温度为700℃；煅烧时间为2.5h；煅烧气氛为空气。5.根据权利要求1所述的钠离子电池用Co3O4碳纳米纤维的电纺丝制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)电纺丝前驱体液的配置：将Co2+盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co2+盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.18g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛督强，王永仓，徐强，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61