一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用制造技术

本发明专利技术属于锂电池集流体材料的技术领域，具体涉及一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用。所述复合碳纳米纤维集流体为富含N和ZnO的碳纤维负极材料PNCF@ZnO，其制备包括如下步骤：将MOFs和聚丙烯腈混合，并用有机物溶解形成纺丝溶液，用纺丝机制备出混合纳米纤维，碳化后形成复合碳纳米纤维集流体。本发明专利技术提供的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，实现了无锂负极的锂金属电池的稳定循环，其具有制备成本低、工艺简单、环境友好等特点，为无锂负极的锂电池的发展开辟了新的方向，为无锂负极的锂金属电池提供广泛的应用前景。锂金属电池提供广泛的应用前景。锂金属电池提供广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用


[0001]本专利技术属于锂电池集流体材料的
，具体涉及一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用。

技术介绍

[0002]能源是人类社会生存和发展的基础。世界两百余年来的工业化发展，导致化石能源、经济和生态的关系日趋紧张，能源转型已经成为全球共识。电能作为一种可再生的、环境友好型的二次能源显示出了巨大的利用价值，因此大力发展电能存储设备是实现能源转型并解决能源环境问题的必由之路，这大大促使了下一代高能量密度的二次储能电池的研发。作为提高电池能量密度的重要措施之一，高比容量负极材料的应用也受到越来越多的关注。锂金属负极借其优异的理论比容量(3860 mAh/g)和最低的氧化还原电动势(
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3.04 V)，成为了下一代高密度储能电池负极的理想候选方案。然而，在实际应用中，锂金属电池也暴露出了自身存在的如库伦效率低下，使用寿命短和安全问题等缺陷。传统的锂金属电池负极在氧化还原反应过程中会产生大量的锂枝晶，随着工作时间的增加，锂枝晶会不断生长并穿透隔膜，引发安全问题。同时，锂金属负极在反复嵌锂/脱锂的过程中会形成大量的“死锂”，这些“死锂”会造成电极无限的体积膨胀，导致电池库伦效率低下和循环寿命减少。如何解决锂枝晶生长所带来的一系列问题是构建更稳定的锂金属负极的关键。
[0003]迄今为止，针对锂金属电池存在的上述问题，通过在锂负极表面构筑固电解质界面膜（SEI）来解决锂负极枝晶形成的各种策略已经被开发出来，在电解液中加入无机/有机分子等添加剂，使锂金属负极表面形成稳定的SEI。将由共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）、聚合物、Al2O3等材料制成的功能涂层应用于锂金属负极，可诱导锂离子的均匀沉积。部分学者提出，以泡沫镍，泡沫铜为代表的三维负极材料与电解液具有较大的接触面，为锂离子沉积提供了较丰富的位点，材料内部所预留的空间有效地缓解了体积膨胀，相互交联的导电网络也降低了局部电流密度。虽然取得了一些成果，但是此方法没有从微观角度出发来抑制锂枝晶生长。还有部分学者提出通过微球结构或来俘获锂，以限制其沉积并抑制枝晶生长。其所制备的微球为碳纳米管和多孔二氧化硅保护层的复合材料，可将沉积的锂限制在纤维管内和纤维间空隙处以避免锂枝晶，对于控制锂沉积行为是十分有效的。此外，仿生离子凝胶电解质具有快速传输锂离子的能力，而且能够在金属锂负极表面自发地形成颗粒富集层，从而有效地抑制锂枝晶的生长，为利用仿生概念设计高性能的金属锂电池提供了一种新思路。虽然上述方法在一定程度上能够抑制树枝状锂枝晶的形成，增强了SEI，但是缺乏有效的锂离子沉积位点，无法长期维持锂离子的均匀沉积，并且库伦效率普遍较低，无法满足锂金属电池长期稳定循环的需求。此外，由于电池负极库伦效率的限制，上述方法所制备的负极普遍存在锂过量的问题，导致锂金属电池体系中正极与负极中锂离子的比例远远大于1，使实际电池体系的能量密度远远小于锂金属电池的理论值。
[0004]发展无锂负极的锂金属电池可以极大地提锂金属电池的能量密度，是下一代高能
量密度储能设备的有力候选者。为了解决负极严重的锂枝晶生长问题，以往的解决方案大多是使用高成本的、极易燃的高浓度、混合锂盐的有机电解液代替商业稀电解液，这类解决策略虽然实现了无负极有机电池的稳定循环，但是高成本的锂盐和易燃有机溶剂的大量使用对电池的成本控制和生产工艺提出了新的挑战。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，有效抑制锂枝晶的形成，生成稳定的电极/电解质界面相（SEI），进可以在高能量密度的无锂负极的锂金属电池体系中实现长期稳定循环。
[0006]本专利技术的
技术实现思路
如下：本专利技术提供了一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用；所述复合碳纳米纤维集流体为富含N和ZnO的碳纤维负极材料PNCF@ZnO，其制备包括如下步骤：将MOFs和聚丙烯腈（PAN）混合，并用有机物溶解形成纺丝溶液，用纺丝机制备出混合纳米纤维，碳化后形成复合碳纳米纤维集流体；所述MOFs和聚丙烯腈（PAN）的混合质量比为（0.6~0.8）:1；所述纺丝溶液的浓度为0.1~0.2 g/mL；所述纺丝机的纺丝条件为，电压为11~13Kv，纺丝流速为0.8~1.2 mL/h；所述碳化的条件为600
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700℃温度下煅烧1h；所述MOFs的制备包括如下步骤：将腺嘌呤、4,4
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联苯二羧酸（BPDC）分别超声溶解得到溶液A和溶液B，将乙酸锌、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mv=28000
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32000）超声溶解得到溶液C，将溶液A、B、C混合之后再加入有机溶剂、甲醇和去离子水，于室温下搅拌，之后离心得到白色粉末，将其依次用DMF、去离子水和甲醇洗涤之后，于烘箱中干燥得到Bio
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MOF
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100纳米颗粒；所述溶液A中腺嘌呤的使用浓度为0.015~0.02 g/mL；所述溶液B中4,4
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联苯二羧酸（BPDC）的使用浓度为0.015~0.025 g/mL；所述溶液C中乙酸锌的使用浓度为0.006~0.008 g/mL；所述溶液C中十六烷基三甲基溴化铵的使用浓度为0.6~0.75 g/mL。
[0007]本专利技术的有益效果如下：本专利技术的基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，所述复合碳纳米纤维集流体为采用MOFs与聚丙烯腈通过纺丝制得的纤维材料，用于制备无锂负极的锂电池，MOFs掺杂的聚合物纤维薄膜，高温碳化后作为锂金属电池的三维集流体。MOFs衍生的丰富且均匀分布的氧化锌纳米颗粒可以为锂金属提供良好的成核位点，协同多级孔结构，从而为金属锂的沉积和剥离提供了一个稳定的场所，有效地抑制锂枝晶的形成，并生成了稳定的电极/电解质界面相（SEI），进而可以在高能量密度的无锂负极的锂金属电池体系中实现长期稳定循环。而本专利技术提供的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，实现了无锂负极的锂金属电池的稳定循环，其具有制备成本低、工艺简单、环境友好等特点，为无锂负极锂金属电池的发展开辟了新的方向，为无锂负极的锂金属电池提供广泛的应用前景。
附图说明
[0008]图1为本专利技术所制备的bio
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MOF
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100纳米颗粒、纤维薄膜和PNCF@ZnO的电镜扫描图；图2为本专利技术所制备的bio
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MOF
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100的XRD图、PNCF@ZnO的XRD和XPS图；图3为本专利技术所制备的锂
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集流体半电池的电化学性能测试结果图；图4为本专利技术所制备的预锂化后组装磷酸铁锂全电池的电化学性能测试结果图。
具体实施方式
[0009]以下通过具体的实施案例以及附图说明对本专利技术作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，其特征在于，所述复合碳纳米纤维集流体为富含N和ZnO的碳纤维负极材料PNCF@ZnO。2.根据权利要求1所述的基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，其特征在于，所述复合碳纳米纤维集流体的制备包括如下步骤：将MOFs和聚丙烯腈混合，并用有机物溶解形成纺丝溶液，用纺丝机制备出混合纳米纤维，碳化后形成复合碳纳米纤维集流体。3.根据权利要求2所述的基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，其特征在于，所述MOFs和聚丙烯腈的混合质量比为（0.6~0.8）:1。4.根据权利要求2所述的基于MOFs的复合碳纳米纤维集流体在制备无锂负极的锂电池的应用，其特征在于，所述纺丝溶液的浓度为0.1~0.2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈日丽，张学良，洪旭佳，蔡跃鹏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：