一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及钠离子电池负极材料领域，尤其涉及一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，包括步骤：（1）将聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合后加入有机溶剂配制成碳源前驱体溶液；（2）在碳源前驱体溶液中加入锡源溶液，加热搅拌均匀，形成静电纺丝溶液，进行静电纺丝得到有机纤维毡前驱体；（3）将有机纤维毡前驱体干燥和预氧化，然后在管式炉中碳化得到锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料。锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维中锡纳米颗粒直径为1.0~2.0 nm，碳纳米纤维的直径为50~100nm，其作为钠电池负极材料具备良好的循环稳定性以及倍率性能。稳定性以及倍率性能。稳定性以及倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及钠离子电池负极材料领域，尤其涉及一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]钠离子二次电池作为一种锂离子电池的替代品，拥有着其独特的优势，钠资源相较于锂资源，其成本更低、分布更均匀、储量更大，对于降低储能成本有着重大意义。目前钠离子电池有着多种性能优异的正极，而负极只有硬碳作为可行的选择，但硬碳的理论容量较低，且在较大的电流下容量会急剧下降。因此，发展研究高性能钠离子电池负极对于实现钠离子电池商业化应用有着重大意义。
[0003]锡作为一种合金化反应钠离子电池负极，有着理论容量高、成本低、环境友好、导电性好等优势，是一种优势较大的负极材料，但存在体积膨胀、无法稳定循环等问题，研究发现较好的解决方式是对其进行碳包覆以及减小锡颗粒的尺寸。如专利申请号为201710110805.5的中国专利技术专利申请文件公开了一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法，最后得到锡纳米颗粒的直径为10~50nm，碳纳米纤维的直径为100~300nm，对于钠离子电池负极，该专利申请得到的锡纳米颗粒的直径和碳纳米纤维的直径仍然不能满足要求。
[0004]因此，如何制备更小粒径的锡纳米颗粒和更细的碳纳米纤维是目前钠离子电池负极材料重点研究方向。

技术实现思路

[0005]为了克服以上问题，本专利技术的目的是提供一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，其中锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维中锡纳米颗粒直径为1.0~2.0 nm，碳纳米纤维的直径为50~100nm，其作为钠电池负极材料具备良好的循环稳定性以及倍率性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所设计的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，包括步骤：（1）将聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合后加入有机溶剂配制成碳源前驱体溶液；（2）在碳源前驱体溶液中加入锡源溶液，加热搅拌均匀，形成静电纺丝溶液，进行静电纺丝得到有机纤维毡前驱体；（3）将有机纤维毡前驱体干燥和预氧化，然后在管式炉中碳化得到锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料。
[0007]作为优选方案，所述步骤（1）中，所述聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：1~2；有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或N、N—二甲基酰胺；所述聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮的混合物与有机溶剂的质量比与1：8~12。
[0008]作为优选方案，所述步骤（2）中，锡源溶液为SnCl2，所述碳源前驱体溶液与锡源溶
液的质量比为10:8，加热搅拌温度在40~80℃；搅拌转速在500~700rpm；静电纺丝中，高压为20~25kV，针板距在15~25cm，推注速度在0.3~0.6mm/min，针头大小为19~21g，注射器使用5mL或10mL规格，温度为40~50℃，湿度为30~50%。
[0009]作为优选方案，所述步骤（3）中，将有机纤维毡前驱体采用夹压法进行干燥和预氧化，夹压法的具体操作为：使用两块多孔蜂窝焊板，将有机纤维毡前驱体夹在两块蜂窝焊板的无突起面之间，对前驱体施加对应20~50N的压力，适当的压力有助于纤维结构的稳定抵消内应力，防止在热处理时由于内应力变脆导致无法形成自支撑结构，设置干燥温度为50~80℃时间为10~12h，预氧化温度在250~280℃时间为3~5h。
[0010]作为优选方案，所述步骤（3）中，碳化温度为600~800℃时间为1
‑
3h。
[0011]作为优选方案，所述锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料中纳米纤维的直径为50~100nm，纳米纤维中锡纳米颗粒直径为1.0~2.0 nm，锡的质量分数为50~60wt%。
[0012]作为优选方案，碳化后所得的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料具有良好的柔性可以进行180
°
弯曲。
[0013]本专利技术的优点在于：与传统的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料制备方法相比，本专利技术的具有以下优点：（1）本专利技术利用聚丙烯腈主要作为碳源，同时提供氮掺杂，其产碳率较高，同时加入的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂、增溶剂，可以有效的让锡源更均匀的分散在纺丝液中，且聚乙烯吡咯烷酮可以使碳纤维有更多缺陷有利于钠离子的传导以及提供活性位点，另外，同时两者的官能团可以共同作用锚定锡，其中聚乙烯吡咯烷酮的
‑
C
‑
N
‑
CO
‑
基团可以吸附在固体SnCl2表面加速锡的溶解与分散，溶解后的锡与聚丙烯腈上的极性基团
‑
CN基形成配位，有助于锡形成更小的纳米颗粒，所得的纳米纤维中锡颗粒的直径为1.0~2.0 nm。
[0014]（2）本专利技术优化纺丝工艺，通过控制干燥参数、静电纺丝的电压、温度和湿度以及采用夹压法对有机纤维毡前驱体进行干燥与预氧化处理的工艺方法，在干燥和预氧化过程中对有机纤维毡前驱体施加适当的压力有助于纤维结构的稳定抵消内应力，防止在热处理时由于内应力变脆导致无法形成自支撑结构，有利于形成更稳定、更强柔性以及更细的纤维结构，所得的纳米纤维的直径在50~100nm，具有良好的柔性可以进行180
°
弯曲，可直接裁剪用于电极而无需粘结剂等。
[0015]（3）将本专利技术锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料与金属钠片组装成半电池，在0.01
‑
2V，2C下，首次放电比容量高达561.9mAh/g；循环50圈后，容量保持率可高达93.6%；与磷酸钒钠组装全电池，以负极计算，在2C下以约400 mAh/g的比容量循环了300圈，说明本专利技术锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料具有较好的循环稳定性以及倍率性能。
[0016]（4）本专利技术的方法简单，成本低，可进行大规模生产。
附图说明
[0017]图1为实施例1所得的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的SEM 图；图2为实施例1所得的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的XRD图；图3为实施例1所得的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的TEM图；图4为实施例1的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料与金属钠片组装成半
电池的循环图；图5为实施例1的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料匹配磷酸钒钠全电池循环图。
具体实施方式
[0018]为更好地理解本专利技术，以下将结合附图和具体实例对专利技术进行详细的说明。
[0019]实施例1锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，包括步骤：（1）将聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合有机溶剂配制成溶液，形成碳源前驱体溶液；称取聚丙烯腈0.5g，聚乙烯吡咯烷酮0.5g，N
‑
甲基吡咯烷酮10g；（2）在碳源前驱体溶中加入锡源溶液，加热搅拌均匀，形成静电纺丝溶液，进行静电纺丝得到有机纤维毡前驱体；锡源溶液为SnCl2，加入量为1.2g；加热搅拌温度在40℃，搅拌转速在500rpm，静电纺丝参数如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：（1）将聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合后加入有机溶剂配制成碳源前驱体溶液；（2）在碳源前驱体溶液中加入锡源溶液，加热搅拌均匀，形成静电纺丝溶液，进行静电纺丝得到有机纤维毡前驱体；（3）将有机纤维毡前驱体干燥和预氧化，然后在管式炉中碳化得到锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料。2.根据权利要求1所述的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：1~2；有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜或N、N—二甲基酰胺；所述聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮的混合物与有机溶剂的质量比与1：8~12。3.根据权利要求1所述的锡量子点嵌入氮掺杂碳纳米纤维负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，锡源溶液为SnCl2或乙酸锡或辛酸亚锡或三丁基锡或二甲基锡，所述碳源前驱体溶液与锡源溶液的质量比为10：8，加热搅拌温度在40~80℃；搅拌转速在500~700rpm；静电纺丝中，高压为20~25kV，针板距在15~25cm，推注速度在0.3~0.6mm/min，针头大小为19~21g，注射器使用5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：许絮，马灏清，麦立强，张磊，徐林，赵康宁，
申请(专利权)人：武汉理工大学三亚科教创新园，
类型：发明
国别省市：