本发明专利技术涉及新能源材料制备与应用技术领域，一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法及其应用，其中制备方法包括以下过程：以喹啉制备富氮喹啉低聚物，并以此作为富氮软碳前驱体。聚丙烯腈作为硬碳前驱体和助纺剂，通过静电纺丝技术制备纳米纤维。然后使其在空气气氛下升温至250‑300℃预氧化，并在氮气气氛下升温至600‑1200℃碳化，得到目标材料纳米碳纤维。本发明专利技术的纳米碳纤维具有较高的氮含量和良好的导电性，作为锂离子电池负极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性，本发明专利技术提供的制备方法简单易行，易于规模化工业生产。
Preparation and application of a nano carbon fiber used for lithium ion battery negative electrode
【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法及其应用
本专利技术涉及一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法及其应用，属于新能源材料制备与应用
技术介绍
锂离子电池作为新一代的储能装置，具有能量密度高、循环稳定性好、环境友好以及无记忆效应等优势，广泛应用于手机、智能穿戴设备和笔记本等便携设备的储能电源。传统的商业化锂离子电池负极石墨材料，具有较低的价格和较好的循环稳定性，但是石墨电极作为锂离子电池负极，其理论容量仅为372mAh/g，并且倍率性能较差，越来越无法满足电子设备的使用需求。氮掺杂碳材料近年来逐渐成为研究热点，掺杂氮不但具有更强的锂离子吸附能力，而且引入的缺陷位可以降低锂离子的扩散阻力，获得更高的质量比容量，更加优异的倍率和循环稳定性。氮掺杂硬碳材料石墨化程通常度低，这虽然为锂离子的存储提供了理想的活性位点，但是其导电性通常较差，不利于电子的快速传输，进而导致其倍率性能较差。此外在首次充放电过程中，材料内部过多的缺陷位还会造成更大的不可逆容量损失和较低的首次库伦效率。相比而言，软碳材料比表面积较低，缺陷位较少，能够有效降低不可逆容量的产生，同时也具有较好的倍率和循环稳定性，然而其较低的质量比容量限制了其进一步应用。专利201510581382.6以中温煤沥青为软碳碳源，聚丙烯腈为硬碳碳源，制备出一种沥青基纳米碳纤维，但该专利采用的中温煤沥青中氮元素含量极低，引入中温煤沥青制备的碳纤维较聚丙烯腈基碳纤维氮含量明显降低，容量下降显著，在100mA/g电流密度下的质量比容量仅为490.2mAh/g。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是针对氮掺杂硬碳材料倍率和循环稳定性差以及其与软碳复合后质量比容量显著降低的现象，提供一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法及其应用。本专利技术是以富氮喹啉低聚物为软碳前驱体，高分子聚合物聚丙烯腈为硬碳前驱体，采用静电纺丝技术和热处理的方法制备了一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维。本专利技术制备得到的纳米碳纤维具有较高的氮含量和较高的电导率，用它作为锂离子电池负极材料，兼具比容量高、倍率性能好和循环稳定性优异等优点。为了实现上述专利技术目的，解决已有技术中所存在的问题，本专利技术采取的技术方案是：一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法，包括以下步骤：步骤1、首先将喹啉加入圆底烧瓶中，氮气气氛保护下加入三氯化铝粉末，加热6-12h，温度控制在250-320℃，自然冷却至室温，得到黑色固体颗粒，然后使用1mol/L的稀盐酸和去离子水依次洗涤，除去三氯化铝，再将洗涤后的固体颗粒真空干燥8-14h，温度控制在50-80℃，得到富氮喹啉低聚物，所述三氯化铝与喹啉的质量比为1.0：1.0-5.0；步骤2、将步骤1得到的富氮喹啉低聚物颗粒粉碎至5-10微米后，取其一部分添加到极性有机溶剂中，搅拌2-5h得到第一搅拌液，然后将聚丙烯腈加入到第一搅拌液中，加热至40-80℃，搅拌2-5h得到第二搅拌液，所述聚丙烯腈与富氮喹啉低聚物的质量比为1.0：0.25-4.0，所述极性有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种，所述极性有机溶剂质量为15-25g；步骤3、以步骤2得到的第二搅拌液为纺丝液，采用静电纺丝技术制备纳米纤维，静电纺丝针头内径为0.58-1.04mm，金属圆筒为收集装置，针头到金属圆筒间的距离为10-20cm，施加在针头上的电压为14-20kV，金属圆筒转速控制在50-300r/min；步骤4、将步骤3得到的纳米纤维放入管式炉中，以0.5-1L/min气速通入空气，以0.5-3℃/min的升温速率升至250-300℃，恒温预氧化1-5h，在氮气气氛保护下继续以1-5℃/min的升温速率升至600-1200℃，恒温碳化1-5h，自然冷却至室温，得到目标材料纳米碳纤维。所述方法制备的纳米碳纤维，在锂离子电池负极上的应用。本专利技术有益效果是：一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)首先将喹啉加入圆底烧瓶中，氮气气氛保护下加入三氯化铝粉末进行加热，自然冷却至室温，得到黑色固体颗粒，然后使用稀盐酸和去离子水依次洗涤，除去三氯化铝，再将洗涤后的固体颗粒真空干燥，得到富氮喹啉低聚物；(2)将步骤(1)得到的富氮喹啉低聚物颗粒粉碎至5-10微米后，取其一部分添加到极性有机溶剂中进行搅拌，得到第一搅拌液，然后将聚丙烯腈加入到第一搅拌液中进行加热搅拌，得到第二搅拌液；(3)以步骤(2)得到的第二搅拌液为纺丝液，采用静电纺丝技术制备纳米纤维；(4)将步骤(3)得到的纳米纤维放入管式炉中，通入空气恒温预氧化，在氮气气氛保护下恒温碳化，自然冷却至室温，得到目标材料纳米碳纤维。与已有技术相比，本专利技术过程简单，方便操作，易于实现规模化工业生产。本专利技术制备的纳米碳纤维直径为200-300nm，氮含量高，用作锂离子电池负极材料，具有较高的质量比容量，并且兼具良好的倍率性能和稳定的循环性能。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的纳米碳纤维扫描电镜照片图。图2是本专利技术实施例1制备的纳米碳纤维X射线衍射图。图3是本专利技术实施例1锂离子电池首次充放电曲线图。图4是本专利技术实施例1锂离子电池在不同电流密度下充放电的倍率性能图。图5是本专利技术实施例1锂离子电池的循环性能图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1称取150g喹啉加入500mL圆底烧瓶中，氮气气氛保护下加入50g三氯化铝粉末，加热10h，温度控制在300℃，自然冷却至室温，然后使用1mol/L的稀盐酸和去离子水依次洗涤，除去三氯化铝，再将洗涤后的固体颗粒真空干燥12h，温度控制在60℃，得到富氮喹啉低聚物；再将富氮喹啉低聚物颗粒粉碎至8微米后，取其粉末3g添加到18gN，N-二甲基甲酰胺中，搅拌4h得到第一搅拌液，然后将3g聚丙烯腈加入到第一搅拌液中，加热至60℃，搅拌4h得到第二搅拌液；以得到的第二搅拌液为纺丝液，采用静电纺丝技术制备纳米纤维，静电纺丝针头内径为0.84mm，金属圆筒为收集装置，针头到金属圆筒间的距离为15cm，施加在针头上的电压为18kV，金属圆筒转速控制在200r/min；再将得到的纳米纤维放入管式炉中，以0.5L/min气速通入空气，以1℃/min的升温速率升至280℃，恒温预氧化2h，在氮气气氛保护下继续以3℃/min的升温速率升至700℃，恒温碳化2h，自然冷却至室温，得到目标材料纳米碳纤维。将制备的纳米碳纤维作为整体式电极，1mol/LLiPF6的双组分混合溶剂按EC/DEC＝1:1的体积比例混合的电解液，聚丙烯薄膜为隔膜，在充满氩气的手套箱中组装成CR2016扣式电池。充放电测试是在武汉LandCT2001A型电池测试系统上进行的，充放电电压范围为0.01-3V。图1是本专利技术制备的纳米碳纤维扫描电镜照片图，可以看出制备的纤维形状保持完整，直径在200-300nm，纤维相互交织呈三维网络状，为电子的快速传输提供了通道。图2是本专利技术制备的纳米碳纤维X射线衍射图，制备的纳米碳纤维氮元素含量为12.1wt％。图3是本专利技术制备的纳米碳纤维用作锂离子电池负极材料在0.1A/g的电流密度下的首次充放电曲线，其中首次充电的质量比容量为764.本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、首先将喹啉加入圆底烧瓶中，氮气气氛保护下加入三氯化铝粉末，加热6‑12h，温度控制在250‑320℃，自然冷却至室温，得到黑色固体颗粒，然后使用1mol/L的稀盐酸和去离子水依次洗涤，除去三氯化铝，再将洗涤后的固体颗粒真空干燥8‑14h，温度控制在50‑80℃，得到富氮喹啉低聚物，所述三氯化铝与喹啉的质量比为1.0：1.0‑5.0；步骤2、将步骤1得到的富氮喹啉低聚物颗粒粉碎至5‑10微米后，取其一部分添加到极性有机溶剂中，搅拌2‑5h得到第一搅拌液，然后将聚丙烯腈加入到第一搅拌液中，加热至40‑80℃，搅拌2‑5h得到第二搅拌液，所述聚丙烯腈与富氮喹啉低聚物的质量比为1.0：0.25‑4.0，所述极性有机溶剂选自N,N‑二甲基甲酰胺、N,N‑二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种，所述极性有机溶剂质量为15‑25g；步骤3、以步骤2得到的第二搅拌液为纺丝液，采用静电纺丝技术制备纳米纤维，静电纺丝针头内径为0.58‑1.04mm，金属圆筒为收集装置，针头到金属圆筒间的距离为10‑20cm，施加在针头上的电压为14‑20kV，金属圆筒转速控制在50‑300r/min；步骤4、将步骤3得到的纳米纤维放入管式炉中，以0.5‑1L/min气速通入空气，以0.5‑3℃/min的升温速率升至250‑300℃，恒温预氧化1‑5h，在氮气气氛保护下继续以1‑5℃/min的升温速率升至600‑1200℃，恒温碳化1‑5h，自然冷却至室温，得到目标材料纳米碳纤维。...
【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池负极的纳米碳纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、首先将喹啉加入圆底烧瓶中，氮气气氛保护下加入三氯化铝粉末，加热6-12h，温度控制在250-320℃，自然冷却至室温，得到黑色固体颗粒，然后使用1mol/L的稀盐酸和去离子水依次洗涤，除去三氯化铝，再将洗涤后的固体颗粒真空干燥8-14h，温度控制在50-80℃，得到富氮喹啉低聚物，所述三氯化铝与喹啉的质量比为1.0：1.0-5.0；步骤2、将步骤1得到的富氮喹啉低聚物颗粒粉碎至5-10微米后，取其一部分添加到极性有机溶剂中，搅拌2-5h得到第一搅拌液，然后将聚丙烯腈加入到第一搅拌液中，加热至40-80℃，搅拌2-5h得到第二搅拌液，所述聚丙烯腈与富氮喹啉低聚物的质量比为1.0：0.25-4.0，所述极性有机溶剂选自...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱介山，肖南，刘畅，王玉伟，李宏强，纪勇强，宋军伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。