[发明专利]一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高导电碳材料领域，特别是一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法。

背景技术

三维导电纳米碳材料因其优异的化学稳定性、良好的导电性、高强度、大比表面积等特点，可望用于高性能锂离子电池、锂硫电池等的活性物质存储、柔性显示、先进热界面材料、柔性可穿戴产品等。为此，可控制备柔性高导电性碳材料的研究受到了越来越多的关注。目前，柔性导电性碳材料主要有碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯聚集体、石墨烯泡沫三维导电网络等。

柔性高导电性网络目前主要存在以下问题：制备程序复杂，因此成本较高；所得三维导通网络对活性物质的负载量有限，尤其是在单位面积上负载活性物质量较低；前期对材料处理过程中，由于表面活性剂的使用或者碳空位缺陷的引入等导致了碳材料优异导电性的降低。

除了良好的导电性和柔性不能兼容之外，三维导电网络对活性物质的承载质量面密度低也是个亟待解决的问题，尤其是在锂离子、锂硫电池等领域，可以容纳活性物质的量比较少，即单位质量活性物质面密度非常低。

到目前为止，国内外对三维导电网络的报道主要集中在以下方面：[文献1，Chen Z P,Ren,W C,Gao LB,Liu BL,Pei SF,Cheng HM.Nat Mater.10:6(2011)；文献2，Niu ZQ,Liu LL,Zhang L,Shao Q,Zhou WY,Chen XD,Xie SS.Adv Mater 26:22(2014)]。以上方法目前存在的主要问题是：三维泡沫石墨烯由于其自身的脆性，必须在有机分子如PMMA，PDMS等存在下才能显示柔性，而PMMA会阻碍对活性物质的负载；利用化学模板、冷冻干燥等方法制得的三维导电聚集体，由于前驱体需要进行分散、水热合成、后续高温还原等过程，引入的结构缺陷多，导致导电性不理想。

另外，在获得高导电性和柔性的前提下，如何提高单位面积活性物质担载量，即溶液吸收量也是一个亟待解决的问题。总之，三维导电碳材料的研发目标是同时实现材料具有良好的柔性、优异的导电性以及高的活性物质负载量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、高效、易工业化、可控的柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法，以解决目前锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等用柔性集流体活性物质担载量低的问题，并首次实现高导电、高柔性、高负载量、碳三维网络结构的制备。

本发明的技术方案是：

一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)取长纤维丝状原材料，浸入到碳酸盐溶液中，向纤维丝上滴加盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸，利用产生的气体快速对前驱体进行膨胀，使用酒精或去离子水洗涤前驱体，在60～80℃下烘干10～24小时，或者将样品进行冷冻干燥15～48小时；

(2)将干燥后的长纤维丝原料通过模具加工成型成为目标形状、尺寸的样品；

(3)在保护性气氛下，于不同温度进行热处理，气体流量为10sccm～5000sccm，升温速率为每分钟1～100℃，热处理在600～1200℃下进行，热处理时间为1～6小时，在保护气氛下退火至室温；

最后，得到柔性高导电三维连通空心结构的碳纤维，该材料表现出优异的柔性、高导电性和优异的吸液负载能力。

所选取的长纤维丝状原材料取自于含碳长纤维物质：医用脱脂棉、高纯度化妆棉、脱脂布、天然棉花或棉布。

所选用长纤维丝状原材料直径从0.1微米至100微米，长度在1毫米至10厘米。

所述碳纤维的结晶性随着热处理温度的升高而升高。

所述碳纤维的膜材料导电性从10兆欧姆到12欧姆可调。

所述碳纤维的膜材料弯折角从0度到180度。

所述碳纤维的膜材料超强吸液能力达到每克吸液量20～50ml。

所述的碳酸盐为碳酸氢氨、碳酸氢钠、碳酸钠或碳酸镁，碳酸盐溶液的浓度为0.5mol/L～2mol/L。

所述的盐酸、硝酸、乙酸或乙二酸的浓度为1mol/L～10mol/L。

所述的保护性气氛为氩气、氦气或氮气。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用长纤维纤维素丝(棉长纤维)为前驱体，通过热处理温度和处理时间的调控可控制三维导电网络宏观体的碳结晶度和导电性。

2、本发明可实现三维宏观体柔性导电网络的结构控制合成。