[发明专利]一种高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料的制备方法及应用，其特征在于：将金属前驱体、分散剂、聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺中混合均匀，配制纺丝原液；将所述纺丝原液置于静电纺丝装置中，通过静电纺丝制备纤维原丝膜；将所述纤维原丝膜在氮气氛围下进行高温碳化处理，得到高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料；所述分散剂为苹果酸、柠檬酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶中的任意一种。本发明制备的高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料用作自支撑钠离子电池负极材料，解决了现有复合材料金属氧化物颗粒大、分散度低、充放电过程团聚或粉化严重等问题，具有制备工艺方法简单、制备成本低、金属氧化物分散性好、充放电比容量高、循环稳定性好等特点，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学储能技术新材料制备范畴，具体涉及一种高分散金属氧化物/碳复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，锂离子电池(LIBs)因具有使用寿命长和能量密度高的优点而得到广泛的商业化应用。然而，金属锂的储量难以满足全球巨大的消费市场，锂资源匮乏问题日益突出。在自然界储量丰富的钠和锂为同一主族元素，表现出非常相似的电化学性质，并且钠(-2.71V vs SHE)拥有比锂(-3.40V vs SHE)更高的化学电位，能够提供更高的工作电压和能量密度。因此，适用于大规模储能系统的钠离子电池(SIBs)有望成为二次电池的“后起之秀”。

金属氧化物由于其天然丰度大、价格低廉、理论容量高、绿色环保等特点而在电化学储能领域具有巨大的应用潜力。然而，金属氧化物导电性差，不利于在充放电过程中金属氧化物颗粒体积明显变化，充放电过程中易团聚或粉化最终表现为容量的急剧衰减。为了缓解以上问题，将金属氧化物与导电性良好且成本低廉的碳材料复合是常用到的一种制备策略。例如，专利CN110148534A通过电纺技术将氧化石墨(GO)与过渡金属氧化物有效结合，一定程度上缓解了体积膨胀效应和提高了材料的导电性；专利CN107331854A使用金属海藻酸盐制备出具有沟槽结构的碳纤维复合电极材料，但由于充放电过程中的活性物团聚，大大降低了循环稳定性。以上方法存在操作复杂、成本高昂、金属氧化物颗粒颗粒大、团聚严重等问题。因此，低成本和可规模化制备复合电极材料的开发仍然面临很大的挑战。进一步减小金属氧化物的粒径，增强金属氧化物与碳材料的复合紧密程度，将是构建高性能金属氧化物/碳复合电极材料的重要方向。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明提出一种高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料的制备方法。首先，将金属前驱体、分散剂、聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺中混合均匀，配制纺丝原液；将所述纺丝原液置于静电纺丝装置中，通过静电纺丝制备纤维原丝膜；将所述纤维原丝膜在氮气氛围下进行高温碳化处理，得到高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料。将上述材料作为钠离子电池自支撑负极材料时，表现出优异的可逆比容量和高循环稳定性。材料中原位生成的高分散金属氧化物与碳纤维紧密结合，并有效解决了金属氧化物颗粒大、分散度低、充放电过程团聚或粉化严重等问题，此外，该工艺方法具有制备成本低、工艺简单等优势，具有广泛的应用前景。

上述提及的高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料采用以下技术方案获得：

(1)将一定质量比例的金属前驱体、分散剂、聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺中混合均匀，得到均一分散的纺丝原液；

(2)在一定静电纺丝工艺参数条件下，将上述纺丝原液通过静电纺丝制备出纤维原丝膜；

(3)将上述纤维原丝膜置于氮气氛围中，按照2℃/min升温至600℃后保持2h的条件进行碳化处理，最终得到高分散金属氧化物/碳纳米纤维复合材料。

本发明技术方案中，步骤(1)所述金属前驱体包括金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属氯化盐、金属羧酸盐中的任意一种，金属优选Fe、Co、Mn、Zn。

本发明技术方案中，步骤(1)所述分散剂包括苹果酸、柠檬酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶中的任意一种；