[发明专利]一种CNF-金属化合物独立电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池领域，公开了一种CNF‑金属化合物独立电极材料及其制备方法和应用。将金属盐溶解于二甲基甲酰胺中，再加入聚丙烯腈粉体混合均匀，得到混合纺丝液；通过在高压静电场作用下进行纺丝，得到聚丙烯腈‑金属盐复合无纺布；再将其浸泡于有机配体的甲醇溶液中，利用溶出的金属离子和有机配体的强配位作用，在聚丙烯腈纤维表面均匀形成一层有机金属框架材料，得到聚丙烯腈‑金属盐@有机金属框架；再将其置于管式炉中，在280℃下使聚丙烯腈发生预氧化，然后在氢气/氩气的混合气氛下高温碳化，最后再进行氧化、硫化或硒化处理，得到片状的CNF‑金属化合物独立电极材料。将其裁剪成电极片，直接用于锂离子电池中作为负极。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种CNF-金属化合物独立电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为具有优越前景的储能设备近年来受到广泛关注。同时，随着新能源汽车和智能可携带设备的快速发展，对具有更高的可逆容量和长循环寿命的储能装置提出了迫切的需求。然而，目前商用的石墨电极具有较低的理论容量(372mAhg^-1)，远低于大规模能量应用所需的规格。金属化合物基材料是一种很有前景的活性材料，一直受到研究者们的广泛关注。例如Co₃O₄材料在理论上可以提供高达传统商用石墨电极三倍的容量。但是，由于本身导电性差，以及充电-放电过程中存在较大的体积变化，金属氧/硫/硒化物基电极在实际应用中受到很大阻碍。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种CNF-金属化合物独立电极材料的制备方法。

本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的CNF-金属化合物独立电极材料；该活性材料具有优越的倍率性能和长循环稳定性能。

本发明的再一目的在于提供一种上述CNF-金属化合物独立电极材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种CNF-金属化合物独立电极材料的制备方法，包括以下步骤：将金属盐与聚丙烯腈混合纺丝得到无纺布，再将其浸泡于有机配体的甲醇溶液中，原位生成一层有机金属框架(MOF)；再将其在280℃下使聚丙烯腈发生预氧化，在氢气和氩气的混合气氛下碳化，最后再进行氧化、硫化或者硒化得到片状电极材料，即为CNF-金属化合物独立电极材料。

上述的一种CNF-金属化合物独立电极材料的制备方法具体包括以下步骤：

(1)磁力搅拌下将金属盐溶解于二甲基甲酰胺中，完全溶解后加入聚丙烯腈粉体，搅拌使混合均匀，得到纺丝液；

(2)将纺丝液装在10ml注射器中，使用20G不锈钢针头，设置纺丝参数，进行纺丝；纺丝完毕后取下在烘箱中60℃烘干，得到聚丙烯腈-金属盐无纺布；

(3)将有机配体溶解于甲醇中，将步骤(2)所得聚丙烯腈-金属盐无纺布浸泡于其中，在纤维表面形成一层有机金属框架MOF，取出后在烘箱中60℃下烘干，得到聚丙烯腈-金属盐@MOF无纺布。

(4)将聚丙烯腈-金属盐@MOF无纺布放置在陶瓷舟中，在管式炉中升温，先使聚丙烯腈-金属盐@MOF无纺布在280℃下空气中预氧化，然后在氢氩混合气体中高温碳化，得到CNF-金属纤维布，最后于300℃下进行氧化、硫化或者硒化处理，使碳纳米纤维中的金属颗粒变成金属化合物；冷却到室温，得到CNF-金属化合物独立电极材料。

步骤(1)中所述金属盐为硝酸铁、硫酸铁、硝酸镍、硫酸镍、硝酸钴、乙酸钴、硫酸钴、硝酸锌、乙酸锌、硫酸锌中的一种以上；所述的聚丙烯腈与金属盐的质量比为1:1～1:3，所述纺丝液中聚丙烯腈的固含量为8％～16％之间。

步骤(2)中所述的纺丝参数为：纺丝间距16cm～22mm、纺丝电压12kV～18kV、注射器推进速度0.3ml/h～1ml/h，接收方式为铝箔接收。