[发明专利]一种表面活化的多通道碳纳米纤维及其制备方法、复合金属材料以及电池负极

说明书

本发明提供了一种表面活化的多通道碳纳米纤维，所述多通道碳纳米纤维表面复合有磷。本发明采用多通道碳纳米纤维为基体，采用红磷与碳纤维真空加热的方法，得到碳磷键表面活化的多通道碳纳米纤维。本发明提供的表面活化纳米纤维用于锂、钠、钾金属电池负极材料时，具有更高的锂、钠、钾亲和性以及更多的成核位点，能够调控锂、钠、钾金属的生长模式，从而抑制金属枝晶的产生，缓解金属沉积时的体积膨胀，可以作为锂、钠、钾金属负极的理想碳基集流体材料，进而构筑高性能、安全、长寿命的锂、钠、钾金属电池。

技术领域

本发明属于金属电极负极材料技术领域，涉及一种表面活化的多通道碳纳米纤维及其制备方法、复合金属材料以及电池负极，尤其涉及一种碳磷键表面活化的多通道碳纳米纤维的锂、钠、钾金属负极及其制备方法和应用。

背景技术

锂、钠、钾金属负极因理论比容量高、低氧化还原电位和丰富的地壳储量而被认为是下一代高能量、高功率储能系统的理想选择。但由于锂、钠、钾金属高的反应活性，不稳定的界面，不可控的枝晶生长和较大体积变化导致库伦效率低，循环稳定性差，存在安全隐患，严重阻碍了它们的大规模应用。

在已有的报道中，构建亲钠、亲钾的三维多孔集流体以缓解体积变化和均匀化电流密度是一个具有较好前景的解决方案。在电沉积的过程中，金属对三维集流体的亲和性、初生金属核的结晶程度与后续形貌的生长、电化学性能高度相关。

因此，如何设计一种具有高金属亲和性、且能够降低金属初始堆积密度的三维集流体，解决现有的锂、钠、钾金属负极存在的上述问题，尤为重要，也是领域内诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种表面活化的多通道碳纳米纤维及其制备方法、复合金属材料以及电池负极，特别是一种碳磷键表面活化的多通道碳纳米纤维的锂、钠、钾金属负极。本发明提供的表面活化的多通道碳纳米纤维具有多级孔道结构，本发明提供的表面活化纳米纤维用于锂、钠、钾金属电池负极材料时，具有更高的锂、钠、钾亲和性以及更多的成核位点，能够调控锂、钠、钾金属的生长模式，从而抑制金属枝晶的产生，缓解金属沉积时的体积膨胀。

本发明提供了一种表面活化的多通道碳纳米纤维，所述多通道碳纳米纤维表面复合有磷。

优选的，所述多通道碳纳米纤维具有莲藕结构；

所述多通道碳纳米纤维内具有与纤维长度同向的一个或多个通道；

所述通道的直径为10～400nm；

所述碳纳米纤维的直径为450～5000nm；

所述磷与碳纳米纤维的质量比为1:(0.0001～10000)。

优选的，所述多通道碳纳米纤维表面具有多孔结构；

所述多孔的孔洞的孔径为0.1～2nm；

所述多通道碳纳米纤维为用于金属负极电池的多通道碳纳米纤维；

所述金属负极包括锂负极、钠负极和钾负极中的一种或多种；

所述复合的方式包括化学接枝和物理复合。

优选的，所述多通道碳纳米纤维表面通过碳磷键接枝有磷元素；

所述多通道碳纳米纤维表面复合有磷原子和/或磷单质；

所述磷原子复合在所述多通道碳纳米纤维表面的孔洞中；

所述磷单质复合在所述多通道碳纳米纤维表面的孔洞中；

所述多通道碳纳米纤维作为负极中的碳基集流体。

本发明提供了一种表面活化的多通道碳纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：