[发明专利]一种基于静电纺丝技术和化学氧化法相结合制备碳-二氧化锡-聚吡咯纳米复合纤维的方法

说明书

本发明公开了一种基于静电纺丝技术和化学氧化法相结合制备碳‑二氧化锡‑聚吡咯纳米复合纤维的方法，涉及纳米材料制备技术领域，包括步骤：S100、制备碳‑二氧化锡复合纳米纤维；S200、使用碳‑二氧化锡复合纳米纤维制备碳‑二氧化锡‑聚吡咯纳米复合纤维。本发明优势在于：本发明制备方法可有效缓解二氧化锡在充放电过程中的体积膨胀；本发明的制备方法可通过控制反应时间有效调节包覆层的厚度，从而获得循环性能稳定、使用寿命长且在比容量方面仍然具有优势的锡基材料；本发明的制备方法可以在空气中为C‑SnO₂复合纳米纤维表面合成一层均匀致密的聚吡咯包覆层从而得到碳‑二氧化锡‑聚吡咯纳米复合纤维。

技术领域

本发明涉及一种复合纳米材料制备领域，尤其涉及一种基于静电纺丝技术和化学氧化法相结合制备碳-二氧化锡-聚吡咯纳米复合纤维的方法。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、充放电速度快、无记忆效应等优点而被广泛应用在电子设备、汽车、航空航天等领域，而负极材料是锂离子电池的重要组成部分，提高锂离子电池负极材料的性能，对于电池整体性能的提高大有裨益。目前商用的石墨负极比容量低，且由于工作电位与锂金属的析出电位相近，使用过程中存在安全隐患，所以，研究一种新型的石墨负极替代材料是十分必要的。

除了以石墨为代表的碳类材料，目前的研究中的热门负极材料还有过渡金属氧化物材料、硅基材料、锡基材料。过渡金属氧化物性能稳定，但是原材料较贵，较高的成本限制了其在商业上的应用。硅基材料比容量高，但是充放电过程中的体积膨胀十分严重，不利于锂离子电池的循环稳定性。锡基材料成本低、理论比容量高(782mAh/g)、工作电位高、安全性能好，与其他材料相比，更具有实现商业化的优势。不过锡基材料在循环过程中也存在体积膨胀的问题，为了解决这一问题，研究人员提出了纳米化、调控微观形貌、构建复合材料、合金化等方法。为了获得性能更加优异的锂离子电池负极材料，研究人员通常将上述方法同时使用，构建具有一定形貌、结构稳定的复合纳米材料，如C-SnO₂纳米纤维、CNT-SnO₂复合材料、Sn-C复合材料、SnO₂-MWCNT-SnO₂-PPy复合材料等。

从以往成功缓解锡基材料体积膨胀的实例中总结经验可知，要保证负极材料循环过程中的结构稳定，就要采取一定的方法限制锡基材料的结构变形。通常用到的方法是引入碳类材料或采用韧性好的聚合物包覆，但是制备方法复杂，材料形貌及性能差强人意，难以实现大规模商业生产。

因此，本领域技术人员致力于开发一种基于静电纺丝技术和化学氧化法相结合制备碳-二氧化锡-聚吡咯纳米复合纤维的方法，从而在限制锡基材料的结构变形，并能实现韧性较好的聚合物包覆，同时简化制备方法。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明旨在提供一种制备碳(C)-二氧化锡(SnO₂)-聚吡咯(PPy)纳米复合纤维的方法，该制备方法可有效缓解二氧化锡在充放电过程中的体积膨胀，并通过控制时间有效调节包覆层的厚度，从而获得循环性能稳定、使用寿命长且在比容量方面仍然具有优势的锡基材料。本发明首先利用静电纺丝技术简化引入碳材料的实验步骤，制备了C-SnO₂复合纳米纤维。之后摒弃以往包覆的复杂过程，使用成本低廉的安全试剂，在空气中为C-SnO₂复合纳米纤维表面合成一层均匀致密的聚吡咯包覆层。需要指出的是，本发明通过控制包覆反应的时间实现对包覆层厚度的调控的方法，不同于以往通过控制原料的加入量来控制最终的包覆量，整个材料制备过程操作简单、安全可控、绿色环保。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于静电纺丝技术和化学氧化法相结合制备碳-二氧化锡-聚吡咯纳米复合纤维的方法，包括以下步骤：

S100、通过静电纺丝和热处理制备得到碳-二氧化锡复合纳米纤维；

S200、将所述碳-二氧化锡复合纳米纤维化学氧化并将其包覆制备碳-二氧化锡-聚吡咯纳米复合纤维。