[发明专利]一种纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用。所述纳米纤维采用如下步骤制备得到：S1.配制聚丙烯腈的DMF前驱体溶液；S2.将钛酸四丁酯与前驱体溶液混匀得到乳浊液；S3.将乳浊液通过静电纺丝得到前驱体纤维；然后将前驱体纤维进行热解和碳化，即可得到所述纳米纤维。本发明提供的纳米纤维的表面为苦瓜状褶皱，其制备成锂硫电池正电极后，可改善硫正极的导电性，降低多硫化锂穿梭效应；由于其独特的三维自支撑苦瓜状纤维结构，不仅增加了多硫化锂的吸附位点，同时还极大地缓解了电池的体积膨胀。所述纳米纤维制成三维自支撑集流体后在0.2 C电流密度下循环100圈后还能保持97%的容量，具有稳定的循环性能和较高的比容量。

技术领域

本发明涉及属于锂硫电池技术领域，更具体地，涉及一种纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

由于能源危机和绿色发展理念的影响，高比容量和长循环寿命的能源存储设备已经受到越来越多的关注。锂硫电池由于其具有高能密度(2600 W h kg^-1)和高比容量(1675mAh g^-1)被认为是可替代锂离子电池的下一代低成本的二次电池之一。

目前对于锂硫电池的研究已经经过了很多年，虽然取得了很多成果，也对其反应机理有了更深入的了解，但是仍然存在着难以解决的问题。这些问题主要分为两个方面：(1)在正极区域，难溶解和绝缘的S和Li₂S会导致电池反应动力学缓慢，而且会破坏电池正极材料结构，导致正极材料的体积膨胀。(2)多硫化锂(Li2Sn, n=4,6,8)的穿梭效应会导致活性物质的丢失，从而导致电池的容量性能和库仑效率降低，电解液的消耗和锂负极的腐蚀。因此，目前的研究热点多集中在设计合适的材料来解决存在的这些问题。其中常用的集流体为铝箔，但是铝箔作为集流体时，会在电池反应过程中发生副反应，产生副产物，影响电池性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维。所述纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维，长程连续不断的碳纳米纤维可以提供优异的导电通路，提高二氧化钛的导电性；尺寸不一并且均匀分布在每根纤维的二氧化钛纳米颗粒的强极性作用可以有效吸附多硫化锂，减少活性物质的损失；而且纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维的表面类似于苦瓜表面，具有很多褶皱和凸起，这种粗糙的表面形貌增大了活性物质与集流体的接触面积，增加二氧化钛吸附多硫化锂的活性位点；并且这种三维自支撑的柔性结构与TiO₂的吸附作用，可以有效缓解S/Li₂S的团聚造成的体积膨胀和多硫化锂的穿梭效应造成的活性物质损失；将纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维作为集流体负载硫正极以后，应用于锂硫电池中可表现出良好的循环稳定性。

本发明的另一目的在于提供所述纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维作为三维自支撑集流体在制备锂硫电池电极的应用。

本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：

一种纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维，采用如下步骤制备得到：

S1. 将聚丙烯腈溶于DMF中，配制得到含有聚丙烯腈的DMF前驱体溶液；

S2. 将钛酸四丁酯与步骤S1中的前驱体溶液混匀得到均一分散的乳浊液；

S3. 将步骤S2中的乳浊液采用静电纺丝装置纺丝，得到前驱体纤维；然后将前驱体纤维进行热解和碳化，即可得到纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维；

其中，所述热解和碳化的条件为：以速率为1～5℃·min^-1升温至250～300℃，预稳定1～2h；然后再以1～2℃·min^-1速率升温至700～750℃，碳化1～2h。

本发明以聚丙烯腈为原料，将二氧化钛均匀分散于聚丙烯腈溶液中，通过静电纺丝制备得到前驱体纤维，并通过热解和碳化，聚丙烯腈发生分解，从而制备得到表面为苦瓜状褶皱的纳米二氧化钛复合氮掺杂碳纳米纤维。