[发明专利]类普鲁士蓝衍生金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种类普鲁士蓝衍生金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用。方法：先制备类普鲁士蓝纳米颗粒，将其与聚丙烯腈按不同比例溶于N‑N二甲基甲酰胺溶液作为纺丝前驱体。通过静电纺丝将类普鲁士蓝纳米颗粒分散在聚丙烯腈纤维表面和内部得到前驱体薄膜，经预氧化和碳化，制备出CoO@ZnO@碳氮纳米纤维复合材料。该复合材料可保持类普鲁士蓝纳米颗粒独特的框架结构做锂离子存储器，碳氮纳米纤维可以促进电子快速转移以提高电极材料的电导率，将具有独特结构的前驱体衍生材料镶嵌在碳氮纳米纤维上形成一种三维导电网络结构，作为锂离子电池负极材料展示出较高的可逆比容量和优异的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种利用类普鲁士蓝为前驱体，静电纺丝制备金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料的方法，具体为一种类普鲁士蓝衍生金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在过去的几十年里，锂离子电池以其高电压、长循环寿命、高能量和高功率密度等优点在储能市场占据主导地位。随着可穿戴设备、可弯曲显示器、植入式医疗器械等高新技术产品的迅速发展，LIBs的发展趋势转向了柔性化、轻薄化，以满足便携式电子设备的需求。然而，由于传统电极和金属集电器的刚性，柔性电极的制备仍然是一个巨大的挑战。因此，开发具有良好机械柔韧性和高电化学性能的关键电极材料势在必行。

设计自支撑柔性阳极材料是制备具有优异电化学性能的柔性电池的最有前途的方法之一。在各种导电基底中，碳纳米纤维(CNFs)由于其独特的网络结构和良好的结构稳定性，在锂电池充放电过程中作为柔性电池的关键材料发挥着重要作用。作为一类新型的晶体材料，配位聚合物(CPs)由于具有良好的孔结构、大的比表面积和多功能性，被广泛地用作模板或前驱体来合成电化学活性材料。这些CPs衍生的金属氧化物在用作锂电池负极材料时表现出优越的电化学性能。

通过采用静电纺丝技术制备出不同的可支撑负极柔性材料。由于加载了PBA纳米颗粒，不仅提高电纺CNFs的强度和柔韧性，还有着优越的电化学性能

发明内容

本发明第一个目的是为了满足便携式电子设备的需求，而设计自支撑柔性阳极材料，通过静电纺丝制备金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料，可以完全不使用刚性集流体以及粘结剂等。

本发明第二个目的是提供所述金属氧化物碳氮纳米纤维复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

类普鲁士蓝衍生金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料的制备方法，以类普鲁士蓝为前驱物，通过静电纺丝制备类普鲁士蓝@PAN前驱体薄膜，进一步热处理后得到金属氧化物碳氮纳米纤维柔性电极材料。

其具体的制备方法包括如下步骤：

S1、制备出类普鲁士蓝(CoZn PBA)纳米颗粒；

S2、在40～60℃温度下，将1.2～2g的聚丙烯腈(PAN)溶于12g的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，然后加入0.25～1.5g S1中合成的CoZn PBA前驱体，均匀搅拌12～24h，形成纺丝前驱体溶液；最后将纺丝前驱体溶液静电纺丝，集流体为柔性集流体，纺丝后形成CoZnPBA@PAN纺丝前驱体薄膜，干燥，备用；

S3、将S2中得到的纺丝前驱体薄膜进行预氧化和高温碳化处理，得到三维网状结构的CoO@ZnO@碳氮纳米纤维复合材料。