[发明专利]碳纤维负载硫化铋材料的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种碳纤维负载硫化铋材料的制备方法及其应用，所述方法包括以下步骤：（a）将PAN充分溶解于DMF中，得到溶液A；（b）将溶液A进行静电纺丝，得到产物B；（c）取产物B在惰性气体气氛中进行碳化处理，得到碳纳米纤维；（d）将碳纳米纤维、硫源和铋源溶于乙二醇中，利用高压釜进行水热处理，即得到所述的碳纤维负载硫化铋材料。本发明制备工艺简单，易操作，且无毒。本发明材料作为钾离子电池负极材料时表现出优异性能，生产成本低，可重复性强，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及电池材料制备技术领域，具体地说是涉及一种碳纤维负载硫化铋材料的制备方法及其应用。

背景技术

当聚合物的纤维直径缩小至纳米水平时，它将具有超高的比表面积以及优异的机械性能，使得聚合物纳米纤维在许多重大领域有巨大的应用前景。碳基材料的表面缺陷通常可以作为碱金属离子存储位点，并能够提高反应动力学以达到更高的倍率性能。同时，由于其具有来源广泛、低成本、高电子传导率与环境友好的特点，碳材料被认为是理想的储能材料。

静电纺丝技术相比于模板法、化学气相沉等其他的纳米材料制备方式具有工艺简单、环境友好的优势，同时电纺纤维的直径可控、大的比表面积的特点使其具有巨大的应用前景。

尽管碳材料在钾离子电池中具有巨大潜力，但纯碳材料在储钾过程中主要为嵌入机制，其储钾能力有限且反应动力学缓慢，造成纯碳材料的能量密度和倍率性能较低。

硫化铋是一种拥有较低能带隙(约为1.3eV)的半导体材料。层状结构的硫化铋广泛地应用于太阳能光伏、光电探测器以及热电原件领域。具有纳米结构的硫化铋颗粒，例如纳米棒，纳米线以及纳米管等，在储钾中，有一定的电化学活性，具有较高的理论容量。但是由于在充放电过程中仍然会产生的较大的体积膨胀，从而导致电极材料的严重粉化，甚至与集流体分离，最终使得电池性能衰减过快。所以通常采用与其他材料复合的方式，来提高硫化铋材料的导电性。同时复合材料也可以起到缓解硫化铋体积膨胀的作用，例如通过溶剂热的方式，并使用聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，制备出具有纳米花状硫化铋材料，并通过气相聚合的方式在纳米花表面包覆一层聚吡咯。由于聚吡咯较高的导电性，以及一定的弹性，所以大幅度提升了复合材料的导电性，并且在一定程度上抑制了材料的体积膨胀，提升了其循环性能，但仍然呈现出继续衰减的趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维负载硫化铋材料的制备方法及其应用，以解决现有技术中现有常用材料制备电极时存在的价格昂贵、应用范围受限制等问题。

本发明技术方案为：一种碳纤维负载硫化铋材料的制备方法，包括以下步骤：

（a）将聚丙烯腈（PAN）充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，得到溶液A；

（b）将溶液A进行静电纺丝，得到产物B；

（c）取产物B在惰性气体气氛中进行碳化处理，得到碳纳米纤维；

（d）将碳纳米纤维、硫源和铋源溶于乙二醇中，利用高压釜进行水热处理，即得到所述的碳纤维负载硫化铋材料，其中，水热处理的温度为100-180℃，时间为3-5h。

步骤（a）中，溶解PAN时，采用磁力搅拌机搅拌20-28h，搅拌转速为15-100rpm；PAN与DMF的质量比为1:5-12。

步骤（b）中，静电纺丝的条件为：溶液A流速7-14uL/min，总供液速率为0.3-6mL/h，高压静电发生器的电压为8-30kv；接收装置为铝箔、铜网、锡箔或织物；针头与接收装置之间的水平距离为10-25cm。

步骤（c）中，所述惰性气体气氛为氮气气氛，碳化处理条件为 ：750-850℃碳化1-3h。

步骤（d）中，所述硫源为硫脲或硫代乙酰胺；所述铋源为五水合硝酸铋或硫化铋。

步骤（d）中，碳纳米纤维、硫源和铋源的质量比为50:1-3:2-4。水热溶液占水热釜特氟龙内衬的60%-70%。