[发明专利]一种纳米碳纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种纳米碳纤维及其制备方法和应用，所述制备方法包括：(1)将多元酸、多元胺和增粘剂在溶剂中混合，得到前驱体溶液；(2)将得到的前驱体溶液进行纺丝，得到前驱体纤维；(3)对得到的前驱体纤维进行碳化处理，得到所述纳米碳纤维；所述制备方法不仅制备工艺简单，易产业化生产，且制备得到的纳米碳纤维具备良好的力学性能和柔性，可重复弯曲折叠不断裂，满足柔性电子设备对材料的要求，具有重要的研究价值。

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，具体涉及一种纳米碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米纤维材料由于其良好的导电性、高长径比、高比表面积、耐化学腐蚀以及原料来源广等特点，是一种性能优良的功能材料，尤其在能源领域有着非常广泛的应用，可作为锂电池电极、电化学催化剂载体等使用。通常碳纳米纤维材料的制备方法主要有化学气相沉积(CVD)和静电纺丝法。相比于CVD法，采用静电纺丝法制备碳纳米纤维材料有其特有的优势。首先，静电纺丝法能够制备连续的长碳纳米纤维，并且纤维直径可控。其次，电纺得到的碳纳米纤维的比表面积、纤维内部的孔结构以及孔径等，非常容易的通过调节纺丝参数来控制，通常碳化后不需要后处理来造孔就能达到使用要求；并且，通过选用合适的有机物前驱体作为碳源，可以方便快捷的制备具有不同杂原子参杂的碳纳米纤维材料。同时添加适当的添加剂如有机金属化合物、金属氧化物纳米颗粒、陶瓷纳米颗粒等，赋予碳纳米纤维新的功能(例如催化活性)，可以快速制备功能型碳纳米复合纤维材料。最后，静电纺丝法制备的连续长碳纤维材料可以形成自支撑的薄膜，而不是粉体，在不添加粘结剂的情况下作为自支撑电极材料，保持其多孔性和导电性能，有利于活性物质以及电解质的传输。

近年来，随着可穿戴电子设备的应用日益广泛，柔性电子技术成为世界多国科学家及企业争相占领的科技前沿高地。早在2000年，美国《Science》杂志就曾将柔性电子技术评为世界十大科技成果之一。据国际数据公司(IDC)的研究显示，2019年全球可穿戴设备出货量达到3.365亿台，柔性碳纤维膜势必具有巨大的消费市场和可观的经济效益。相较于传统电子元器件，柔性电子器件具有轻便、柔软、可弯曲等特点，其中柔性电池是柔性电子设备的核心部件之一。而在柔性电池的开发过程中，在隔膜已经具有优异柔性的前提下，电极材料是制约柔性储器件发展的关键一环。目前电极柔性化面临的问题是机械强度低以及电极和完整电池组装效率低。目前，掺杂金属氧化物膜，例如氧化铟锡膜，受到弯曲、拉伸等应变力时易发生破裂。采用气相沉积制备的石墨烯或者碳纳米管薄膜成本高，不易产业化，且在多次弯折中易产生裂痕，缩短电极使用寿命。因此，开发具有良好柔性、高导电性且制备工艺简单的柔性薄膜电极材料成为一个迫切的任务。