【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，具体涉及一种碳纳米纤维复合材料、自支撑电极、电池及制备方法和应用。
技术介绍
1、自1990年发布首款锂离子电池以来，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势迅速成为电化储能器件领域的黑马，在短短几十年内成为行业核心技术。随着规模化的动力和储能电池的需求，行业对电池能量密度也提出了更高要求。面临能量密度提升的技术目标，现阶段主要有开发新型化学反应体系、提高材料能量密度和优化电极设计三方面的开发研究。新型化学反应体系如锂硫电池、锂空气电池等，其能量密度优势明显，但存在界面阻抗大、体系稳定性差等亟待解决的科学问题，因此需要一段时间才能实现商业化；材料提升主要围绕当前体系包括开发更高克容、高压的正负极材料，如高镍高压正极、负锂锰基和硅负极等；电极设计优化包括结构优化、厚电极架构和轻量化箔材等内容，其核心目的是降低电池中不提供容量贡献的“非活性材料”的占比。
2、一般的电池制造工序，通过把活性材料、导电剂和粘结剂配置而成的浆料涂覆到箔材表面，再烘干除去浆料中的溶剂得到极片。烘干过程中的高温会造成小分子导电剂和链状粘结剂随着溶剂蒸发而上浮，导致极片内部组分不均，从而影响电池性能。同时为了提升能量密度，作为活性物质负载平台的电极箔材被做得越来越薄，厚涂浆料层也成为高比能电池的制造趋势。然而薄箔材和厚电极虽然能一定程度的提升能量密度，但常伴随着电子电导和离子电导的恶化，导致电池电性能急速衰减，成为制约能量密度提升的“跷跷板”。对动力电池而言，高能量密度(续航里程)和高功率(动力性和快充能力)都是
3、cn 111106311 a中公开了一种三维多孔自支撑电极及其制备和应用，所制备的电极无需集流体、粘结剂和额外的导电碳，极大地提升了电极的整体能量密度；该电极具有杂原子掺杂的三维导电碳网络和多孔结构，能够保证电子和钠离子的快速传输，从而表现出优异的倍率性能；在制备过程中高分子树脂碳化后均匀地包覆在活性物质的表面，能够抑制活性物质在循环过程中的体积变化，具有优异的循环性能。该制备方法通过在树脂的不良溶剂中浸泡含活性材料的聚丙烯腈铺膜得到一定厚度的自支撑电极，虽然制备方法对设备要求不高，但存在良率低、孔隙结构不易控制等问题。
4、cn115810712a中公开了一种硅基柔性自支撑电极、其制备方法、锂离子电池及装置，该硅基柔性自支撑电极包括层叠设置的导电纤维层和硅基复合颗粒层，其中，硅基复合颗粒层包括硅基颗粒和导电剂，且硅基柔性自支撑电极的底层为导电纤维层。该制备方法提出导电纤维+活性材料交替的层层组装结构，其中导电纤维层通过静电纺丝得到，活性材料层则经静电喷雾装置形成。该方法一定程度地为硅基厚电极性能提升提出了解决方案，但无全电池极耳引出方案，电池组装集流问题未解决。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种碳纳米纤维复合材料、自支撑电极、电池及制备方法和应用，以解决现有自支撑电极存在兼容性差和电化学性能低的问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、s1、将金属盐和碱性试剂分别溶于第一有机溶剂中，再混合后静置老化，干燥，获得金属有机骨架纳米颗粒(zif-8)；
5、s2、将金属有机骨架纳米颗粒(zif-8)和聚合物溶解于第二有机溶剂中，经静电纺丝、预氧化和碳化，获得改性的碳纳米纤维；
6、s3、将改性的碳纳米纤维溶于水中，并加入强氧化剂和导电剂，获得碳纳米纤维复合材料。
7、根据上述技术手段，通过采用金属盐和碱性试剂制备金属有机骨架纳米颗粒(zif-8)，为构建多孔的碳纳米纤维结构奠定了基础；通过将得金属有机骨架纳米颗粒(zif-8)与聚合物进行静电纺丝处理，以有效形成初级纳米纤维，然后经过预氧化处理，实现了初级纳米纤维表面的负电化，以便为后续与导电剂形成稳定的导电网络，保证了电子传导速率，从而提升电子电导能力，有效解决了现有碳纳米纤维(cnfs)与导电剂存在相容性差的问题，预氧化处理后再进行碳化处理，使得金属有机骨架纳米颗粒(zif-8)在高温碳化过程中发生热解，有效实现了碳纳米纤维(cnfs)的原位造孔，从而形成高比表面积的多孔结构的碳纳米纤维，进而有利于电解液的浸润，且有效降低了离子扩散阻抗；通过在改性的碳纳米纤维溶液中加入强氧化剂，使得碳纳米纤维(cnfs)表面的羟基氧化为带负电的羧酸根基团，然后加入纳米导电剂，从而在静电吸附作用下，导电剂可以均匀的吸附在cnfs表面，形成稳定的点-线结构的导电网络，有效保证了碳纳米纤维复合材料的电子传导速率，提升了电子电导能力，因此，采用本专利技术方法制得的碳纳米纤维作为电池材料能大幅度提升电池性能。
8、优选的，所述s1中，具体包括：将金属盐溶于第一有机溶剂中，获得第一混合溶液；
9、将碱性试剂溶于第一有机溶剂中，获得第二混合溶液；
10、将第一混合溶液和第二混合溶液混合搅拌，使得混合溶液由无色变成白色，静置老化，获得胶液；
11、将胶液高速离心、甲醇洗涤2～3次，以除去反应过程中未反应的残渣和杂质，然后干燥，获得金属有机骨架纳米颗粒。
12、优选的，所述第一混合溶液和第二混合溶液混合搅拌的时间为2～3h。
13、优选的，所述s1中，金属盐与碱性试剂的摩尔比为1:1～1:200；
14、和/或静置老化的时间为12～36h。
15、通过合理控制摩尔比及静置时间，以实现对产物形貌、粒径等的控制，从而保证电池的各项性能。
16、优选的，所述s1中，金属盐与碱性试剂的摩尔比为1:10～1:70。
17、优选的，所述静置老化的时间为12～36h。
18、优选的，所述静置老化的时间为24h。
19、优选的，所述金属盐选自硝酸锌及其水合物、硝酸钴及其水合物中的至少一种。
20、优选的，所述碱性试剂选自1,2-二甲基咪唑。
21、优选的，所述第一有机溶剂选自甲醇和/或乙醇。
22、优选的，所述s2中，具体包括：将金属有机骨架纳米颗粒和聚合物溶解于第二有机溶剂中，超声分散，获得前驱体溶液；
23、将前驱体溶液在第一预设电压条件下静电纺丝，形成初级纳米纤维；
24、在空气气氛和第一预设温度条件下，对初级纳米纤维进行预氧化处理，获得纳米纤维中间体；
25、在氮气气氛和第二预设温度条件下，对纳米纤维中间体进行碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述S1中，金属盐与碱性试剂的摩尔比为1:1~1:200；
3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自硝酸锌及其水合物、硝酸钴及其水合物中的至少一种；
4.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2中，具体包括：将金属有机骨架纳米颗粒和聚合物溶解于第二有机溶剂中，超声分散，获得前驱体溶液；
5.根据权利要求4所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一预设电压为12~40KV；
6.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述S2中，聚合物选自聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮；
7.如权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述S3中，强氧化剂选自2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物、三氯异氰尿酸和高锰酸钾中的至少一种；
8.一种碳纳米纤维复合材料，其特征在于，采
9.一种如权利要求1至权利要求7任一项所述的制备方法制备得到的碳纳米纤维复合材料的应用，其特征在于，所述碳纳米纤维复合材料在电池正极材料、负极材料和/或电极材料中的应用。
10.一种自支撑电极，其特征在于，包括采用权利要求1至权利要求7任一项所述的制备方法制备得到碳纳米纤维复合材料和活性电极材料。
11.如权利要求10所述的自支撑电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的自支撑电极的制备方法，其特征在于，所述活性电极材料选自磷酸铁锂（LFP）、镍钴锰三元材料、石墨或硅基负极材料；
13.一种电池，其特征在于，包括如权利要求10中所述的自支撑电极。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，金属盐与碱性试剂的摩尔比为1:1~1:200；
3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属盐选自硝酸锌及其水合物、硝酸钴及其水合物中的至少一种；
4.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，具体包括：将金属有机骨架纳米颗粒和聚合物溶解于第二有机溶剂中，超声分散，获得前驱体溶液；
5.根据权利要求4所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一预设电压为12~40kv；
6.根据权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，聚合物选自聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮；
7.如权利要求1所述的碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：牟奕轩，吴振豪，牟丽莎，李宗华，
申请(专利权)人：深蓝汽车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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