[发明专利]水溶性聚合物/无机纳米粉体复合纤维的制备方法及装置、锂离子电池负极材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种水溶性聚合物/无机纳米粉体复合纤维的制备方法及装置、锂离子电池负极材料及制备方法。该制备方法包括以下步骤：S1，以水和乙醇的混合溶剂作为纺丝溶剂，配置水溶性聚合物和无机纳米粉体的前驱体浆料；其中，水溶性聚合物的平均分子量为58000～1300000；S2，将前驱体浆料在湿度30～60％的条件下进行静电纺丝，得到水溶性聚合物/纳米粉体复合纤维。利用该制备方法，有效解决了现有技术中利用溶液静电纺丝制备锂离子电池负极材料所用复合纤维时存在的纺丝困难、成本高、环保性差等问题，能够得到形貌良好的水溶性聚合物/无机纳米粉体复合纤维，在热处理过程中具有良好稳定性，适合作为锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种水溶性聚合物/无机纳米粉体复合纤维的制备方法及装置、锂离子电池负极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池是新能源产业中一种重要的储能设备，其中电极材料的性能决定了锂离子电池的容量、充电速率和循环寿命等关键性能。目前，成熟的商用负极材料为石墨，理论容量372mAh g^-1，经过多年研发，实际容量可达370mAh g^-1，十分接近理论极限，已无法满足大规模储能设施和长续航动力电池的需求，亟需开发新型高容量负极材料。硅与锂在常温下可形成Li₁₅Si₄合金，理论容量3590mAh g^-1，为石墨负极的近10倍，是极具潜力的下一代负极材料。不过，超高容量造成的巨大体积变化，导致容量和寿命急速衰减，限制了纯硅负极材料的应用。硅与碳复合，形成硅-碳复合材料，兼具硅的高比容量和碳的高导电性、低膨胀率，是发展硅基负极材料的共识。从微观形态上看，硅-碳复合具有多种形式，其中硅-碳复合纳米纤维性能尤为优异，因为电荷沿其一维结构的径向传输路径短且一维结构可以交织成三维电荷传输网络，相比于其他结构具有独特的导电优势；另外，一维结构轴向伸缩或柔韧性能够有效缓冲体积变化引起的应力，维持材料结构的完整性，从而保障循环寿命。因此，制备硅-碳为代表的复合纤维材料成为锂离子电池硅基负极材料以及其他碱金属离子电池电极材料开发的一个重要研究方向。

纤维材料通常是通过纺丝工艺制备的，包括溶液纺丝、溶液静电纺丝、熔喷纺丝、熔体纺丝、熔体静电纺丝五类，其中溶液静电纺丝条件温和、纤维直径可达纳米级，在工艺控制和产品性能方面有着绝对优势，所以溶液静电纺丝技术被用于各种高分子纤维材料或者无机纤维材料先驱体的制备与成型，近年来也被应用于硅-碳复合纤维以及其他复合纤维负极材料的制备。

(1)期刊论文“Electrospun core-shell fibers for robust siliconnanoparticle-based lithium ion battery anodes”报道了以纳米硅粉、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯为原料、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，通过同轴溶液静电纺丝技术制备核壳型硅-碳复合纤维的研究结果，产品经热处理后形成壳层为碳、芯层为纳米硅粉的复合结构，应用于锂离子电池，比容量高达1384mAh g^-1，并经300次充放电循环无衰减。然而，聚丙烯腈为非水溶性高分子，通常需要使用N,N-二甲基甲酰胺溶解，N,N-二甲基甲酰胺为有毒易燃有机溶剂，不能满足安全环保的生产要求，所以需要探索一种更安全环保的原料与制备工艺。