【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铝离子电池，具体涉及一种改性碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源的需求量日益增大。化石能源的不可再生以及环境污染等问题，都在促使人们发展新型可持续清洁能源，如风能、太阳能、潮汐能、地热能等。但由于其供能存在时间和空间的限制，无法可持续、可移动地实现随时随地的能量供应。这就需要发展能量储存与转化设备，如二次电池，可以将电能转化成化学能储存起来，实现化学能和电能的相互转化，实现可持续、可移动的能量供应。
2、锂离子电池是应用最广泛的电池，但存在成本高、安全性不足等问题。科研工作者正致力于开发低成本、高安全性、可代替锂离子电池的新一代金属离子电池。其中，铝离子电池由于成本低、安全性高、理论比容量高等特点，被认为是非常具有潜力的候选电池之一，在近些年得到了广泛关注。
3、缺失合适的正极材料是制约铝离子电池发展的主要因素之一：al3+具有高电荷密度，会与正极活性材料之间产生强烈的静电相互作用，要求正极材料需要具有高电子和离子传输能力以及良好的结构稳定性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种改性碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的改性碳纳米纤维复合材料具有高电子和离子传输能力以及良好的结构稳定性，作为铝离子电池的正极材料能够进一步提升铝离子电池的循环稳定性。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术提供了一种改性碳纳米纤
4、优选的，以原子质量百分含量计，所述氮的掺杂百分含量为3～5％；
5、所述钴镍双金属硫化物的化学组成为nico2s4；所述改性碳纳米纤维复合材料中钴镍双金属硫化物的质量百分含量为60～70％。
6、本专利技术还提供了上述技术方案所述的改性碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7、将聚丙烯腈溶液进行静电纺丝，得到纤维薄膜；
8、将所述纤维薄膜依次进行预氧化处理和碳化，得到氮掺杂碳纳米纤维薄膜；所述碳化在氮气气氛下进行；
9、将镍源、钴源、硫源和溶剂混合，将得到的混合液的ph值调节为碱性，得到前驱体溶液；
10、将所述氮掺杂碳纳米纤维薄膜浸渍于所述前驱体溶液中，进行水热反应，得到所述改性碳纳米纤维复合材料。
11、优选的，所述静电纺丝的条件参数包括：推进速度为0.6～1.0ml/h，不锈钢针头的型号为18～21号，不锈钢针头与接收板之间的距离为16～20cm，正高压为15～20kv，负高压为-1.5～2kv，温度为25～40℃，湿度为30～50％。
12、优选的，所述预氧化处理的温度为230～240℃，保温时间为2～3h；
13、所述预氧化处理在空气气氛中进行。
14、优选的，所述碳化的温度为850～860℃，升温至所述碳化温度的升温速率为3～5℃/min，保温时间为6～8h。
15、优选的，所述镍源包括六水合氯化镍和/或六水合硝酸镍；所述钴源包括六水合氯化钴和/或六水合硝酸钴；所述硫源包括硫脲和/或硫代乙酰胺；
16、所述溶剂包括去离子水和乙二醇，所述去离子水和乙二醇的体积比为80～100：10～20；
17、所述镍源、钴源和硫源的摩尔比为2～3：4～6：20～30；
18、所述碱性的ph值为10～11。
19、优选的，所述浸渍前，还包括对所述氮掺杂碳纳米纤维薄膜进行预处理，所述预处理包括：将所述氮掺杂碳纳米纤维薄膜依次在双氧水溶液和浓硝酸溶液中进行浸泡，依次进行清洗和干燥；
20、所述双氧水溶液的质量浓度为20～30％，所述浓硝酸溶液的质量浓度为40～60％；
21、所述浸泡的时间为1～2h。
22、优选的，所述水热反应的温度为180～220℃，保温时间为20～30h。
23、本专利技术还提供了上述技术方案所述的改性碳纳米纤维复合材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的改性碳纳米纤维复合材料作为铝离子电池正极的应用。
24、本专利技术提供了一种改性碳纳米纤维复合材料，包括氮掺杂碳纳米纤维和包覆在所述氮掺杂碳纳米纤维表面的钴镍双金属硫化物。
25、本专利技术的优势在于：
26、(1)在本专利技术中，钴镍双金属硫化物和氮掺杂碳纳米纤维形成柔性复合结构，氮掺杂碳纳米纤维同时兼具三维导电网络、生长模板和缓冲支撑基体三重功效。钴镍双金属硫化物作为储铝活性材料包覆在氮掺杂碳纳米纤维表面，形成高效复合结构；制备的核壳包覆结构中钴镍双金属硫化物作为壳层均匀包覆在导电基体氮掺杂碳纳米纤维表面，改善了金属硫属化物易聚集堆积的问题，使钴镍双金属硫化物与电解液可以充分地接触，提高了储铝活性材料的利用率，有利于提高比容量；以氮掺杂碳纳米纤维形成的三维导电网络作为导电基体，相比于传统粉末电极中活性材料与导电剂的物理接触，钴镍双金属硫化物与氮掺杂碳纳米纤维之间的成键作用减小了接触电阻，有利于改善电池倍率性能；高长径比的氮掺杂碳纳米纤维具有良好的柔韧性，能够缓冲铝离子嵌入和脱嵌过程中带来的应力变化，保护钴镍双金属硫化物的结构稳定性，提高电池的循环稳定性。因此，本专利技术提供了一种具有高稳定性、高储铝活性的铝离子电池正极材料。
27、(2)本专利技术得到的改性碳纳米纤维复合材料可以直接作为铝离子电池的正极材料，与现有大部分铝离子电池制备工艺相比，无需阴极材料的研磨，制备浆液、涂敷、烘干等一系列繁琐的工艺，大大简化了铝离子电池的制备工艺；同时无需粘结剂，防止了在循环过程中由于粘结剂失效而出现阴极材料脱落的情况。且粘结剂不耐高温，会限制电池的使用范围简化了制备电极片的工艺。本专利技术利用氮掺杂碳纳米纤维和钴镍双金属硫化物的协同作用，提高铝离子电池的比容量和循环稳定性，为铝离子电池的商业化探索过程提供了设计依据。
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1.一种改性碳纳米纤维复合材料，其特征在于，包括氮掺杂碳纳米纤维和包覆在所述氮掺杂碳纳米纤维表面的钴镍双金属硫化物。
2.根据权利要求1所述的改性碳纳米纤维复合材料，其特征在于，以原子质量百分含量计，所述氮的掺杂百分含量为3～5％；
3.权利要求1或2所述的改性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：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的条件参数包括：推进速度为0.6～1.0mL/h，不锈钢针头的型号为18～21号，不锈钢针头与接收板之间的距离为16～20cm，正高压为15～20kV，负高压为-1.5～2kV，温度为25～40℃，湿度为30～50％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理的温度为230～240℃，保温时间为2～3h；
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化的温度为850～860℃，升温至所述碳化温度的升温速率为3～5℃/min，保温时间为6～8h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述镍源包括六水合氯
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍前，还包括对所述氮掺杂碳纳米纤维薄膜进行预处理，所述预处理包括：将所述氮掺杂碳纳米纤维薄膜依次在双氧水溶液和浓硝酸溶液中进行浸泡，依次进行清洗和干燥；
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为180～220℃，保温时间为20～30h。
10.权利要求1或2所述的改性碳纳米纤维复合材料或权利要求3～9任一项所述的制备方法制备得到的改性碳纳米纤维复合材料作为铝离子电池正极的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种改性碳纳米纤维复合材料，其特征在于，包括氮掺杂碳纳米纤维和包覆在所述氮掺杂碳纳米纤维表面的钴镍双金属硫化物。
2.根据权利要求1所述的改性碳纳米纤维复合材料，其特征在于，以原子质量百分含量计，所述氮的掺杂百分含量为3～5％；
3.权利要求1或2所述的改性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：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的条件参数包括：推进速度为0.6～1.0ml/h，不锈钢针头的型号为18～21号，不锈钢针头与接收板之间的距离为16～20cm，正高压为15～20kv，负高压为-1.5～2kv，温度为25～40℃，湿度为30～50％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理的温度为230～240℃，保温时间为2～3h；
6.根据权利要求3所述的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨文文，张炜，刘宠，周玮，
申请(专利权)人：北京工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：
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