碳納米纖維材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳納米纖維材料及其制備方法和應(yīng)用，其解決了現(xiàn)有材料制備方法復(fù)雜、成本較高的技術(shù)問(wèn)題，其內(nèi)層為錫鈦氧化物，外層為氮摻雜碳包覆層，碳納米纖維直徑為100～150納米，碳層的厚度為2～8納米。本發(fā)明同時(shí)提供了其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明可廣泛用于電池材料的制備領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】碳納米纖維材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池材料領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種碳納米纖維材料及其制備方法和應(yīng)用。【背景技術(shù)】
[0002]近些年來(lái)，石油資源日漸枯竭，全球溫室效應(yīng)等問(wèn)題也日益加劇。這種情況使清潔高效的儲(chǔ)能設(shè)備的開(kāi)發(fā)顯得日益迫切。在所有儲(chǔ)能設(shè)備中，鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和自放電小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用為便攜式電子產(chǎn)品的電源裝置，如筆記本電腦、手機(jī)和MP3的電源設(shè)備。雖然鋰離子電池在小型輕量化產(chǎn)品電源市場(chǎng)占據(jù)主宰地位，但是，當(dāng)下商業(yè)化的鋰離子電池卻很難成為混合電動(dòng)汽車等大型電器的驅(qū)動(dòng)能源。究其原因，最重要的還是因?yàn)楝F(xiàn)在常用的鋰離子電池負(fù)極一石墨負(fù)極材料，理論容量太低(372mAhg—1)，從而無(wú)法滿足大型電器對(duì)于高性能能源裝置的要求。因此，如何研究和開(kāi)發(fā)出高性能的負(fù)極材料已成為研制新型鋰離子電池的重大挑戰(zhàn)之一。
[0003]在所有研究的負(fù)極材料中，二氧化錫由于擁有較高的理論比容量(780mAh g_0而受到人們的廣泛關(guān)注。然而，在嵌插鋰離子的充放電過(guò)程中，二氧化錫負(fù)極不可避免的會(huì)發(fā)生巨大的體積膨脹。而體積膨脹帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力若不能及時(shí)釋放，必然會(huì)造成二氧化錫結(jié)構(gòu)的崩坍，由此引起的電極粉化脫落以及電接觸點(diǎn)失活會(huì)使電池容量大量地衰減。為緩和二氧化錫在充放電過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)，人們通過(guò)研究提出了以下幾種解決途徑:(I)應(yīng)用具有納米結(jié)構(gòu)的二氧化錫，如納米顆粒(零維)，納米纖維(一維)或納米片(二維)等作為鋰離子電池負(fù)極材料。(2)將二氧化錫與其它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的活性或非活性物質(zhì)組成復(fù)合電極材料。(3)利用柔性和導(dǎo)電性俱佳的碳材料包覆二氧化錫，既增強(qiáng)了電極材料的導(dǎo)電性又提高了充放電過(guò)程中電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
[0004]目前，為進(jìn)一步提高二氧化錫的電化學(xué)性能，相關(guān)工作人員綜合上述提及的解決方法，制備了納米結(jié)構(gòu)的碳包覆二氧化鈦/ 二氧化錫三元復(fù)合材料，有效地緩解了體積變化帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，所制備的電極材料均顯示了較高的可逆容量和穩(wěn)定的循環(huán)性 能[Yanping Tang, Dongqing Wu, Si Chen, Fan Zhang, Jinping Jia and XinliangFeng, Energy Environ.Sc1., 6(2013)2447-2451]。
[0005]但是，上述材料的制備過(guò)程往往相對(duì)繁瑣苛刻(水熱條件要求很高)且產(chǎn)率很低，尤其是制備過(guò)程中應(yīng)用的碳源都較為昂貴(石墨烯和碳納米管)。因此，尋找合適的碳源以及溫和的制備條件是實(shí)現(xiàn)這種三元納米復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明就是為了克服現(xiàn)有材料制備方法復(fù)雜、成本較高的技術(shù)問(wèn)題，提供一種成本較低、制備方法較簡(jiǎn)化的碳納米纖維負(fù)極材料及其制備方法。
[0007]為此，本發(fā)明提供一種碳納米纖維材料，其內(nèi)層為錫鈦氧化物，外層為氮摻雜碳包覆層，碳納米纖維直徑為100?150納米，碳層的厚度為2?8納米。
[0008]本發(fā)明同時(shí)提供一種碳納米纖維材料的制備方法，其包括如下步驟:(1)配置靜電紡絲溶液:將聚合物前驅(qū)體溶液與錫和鈦前驅(qū)體溶液充分混合，制得靜電紡絲溶液，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為0.5?10:1 ; (2)采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:所述的靜電紡絲工藝參數(shù):紡絲液中，聚合物的質(zhì)量濃度為0.03?0.lg/mL，錫前驅(qū)體的摩爾濃度為0.1?0.6mol/L，鈦前驅(qū)體的摩爾濃度為0.1?0.6mol/L，注射器針頭內(nèi)徑為0.9?1.4mm，溫度為10?30°C，相對(duì)濕度〈30%，靜電電壓為14?20kV，紡絲液流量為0.5?
1.0ml/h,接收距離為10?25cm，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為600?900rpm，采用單針或多針頭紡絲；(3)第一熱處理工藝:將步驟(2)得到的聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、400?600°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為I?10°C /min,降溫速度為I?10°C /min，保溫時(shí)間為I?5小時(shí)，即得錫鈦氧化物納米纖維；(4)多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將步驟(3)得到的錫鈦氧化物納米纖維分散于tris緩沖液，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入多巴胺，錫鈦氧化物納米纖維的質(zhì)量濃度為I?3mg/mL,多巴胺的質(zhì)量濃度為I?3mg/mL,在空氣氛圍、室溫下攪拌5?24小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、60?100°C下的真空烘箱中烘焙10?24小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；(5)第二熱處理工藝:將步驟(4)得到的產(chǎn)物在惰性氛圍、400?600°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為I?10°C /min,降溫速度為I?10°C /min，保溫時(shí)間為2?5小時(shí)，即得碳納米纖維材料。
[0009]優(yōu)選地，上述步驟(I)的聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛的一種或兩種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、N-甲基-2-吡咯烷二酮、丙烯碳酸酯、乙酸乙酯、丁烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、Y-丁內(nèi)酯的一種或多種組合。
[0010]優(yōu)選地，上述步驟(I)的錫前驅(qū)體為四氯化錫、氯化亞錫、2-乙基己酸錫鹽、2-乙
基己基酯二甲基錫、順丁烯二酸二丁基錫、二丁基二月桂酸錫、二丁基單丁酯雙馬來(lái)酸錫、二順丁烯二酸單乙酯二辛基錫、二順丁烯二酸單異辛酯二辛基錫的一種或多種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、冰醋酸的一種或多種組合。
[0011]優(yōu)選地，上述步驟(I)的鈦前驅(qū)體為異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦的一種或多種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、冰醋酸的一種或多種組合。
[0012]優(yōu)選地，上述步驟(4)的碳源為多巴胺。
[0013]本發(fā)明同時(shí)提供一種納米纖維材料在制備電池負(fù)極中的應(yīng)用。
[0014]本發(fā)明提供了一種既具有以多巴胺為碳前驅(qū)體的氮摻雜碳的包覆層，同時(shí)兼具納米一維結(jié)構(gòu)的三元復(fù)合材料。均勻連續(xù)的碳層既能提供快速連續(xù)的電子傳輸通道，又可以防止納米金屬氧化物直接接觸電解質(zhì)而催化電解液不可逆分解，這樣保持了電極材料的結(jié)構(gòu)和避免了容量的大量衰減；通過(guò)控制碳層的厚度，確保其具有良好柔性和機(jī)械穩(wěn)定性，用以緩沖二氧化錫的體積膨脹。氮摻雜能提高其倍率性能、循環(huán)性能和導(dǎo)電性，改善了電極與電解液界面處的電荷轉(zhuǎn)移速率和固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI膜)的穩(wěn)定性。材料的納米纖維結(jié)構(gòu)能夠有效地縮短鋰離子擴(kuò)散距離，提高了其倍率性能。雖然二氧化鈦的比容量很低，但其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可以阻隔納米錫在充放電過(guò)程中團(tuán)聚成大塊錫簇，保證了高容量的納米錫顆粒均勻的分散在納米復(fù)合纖維的內(nèi)部，從而持續(xù)發(fā)揮納米錫的高性能儲(chǔ)鋰能力。
[0015]本發(fā)明的氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料按如下步驟制成極化電極，并進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試:將氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料(80wt%)與導(dǎo)電炭黑Super-P (10wt%)通過(guò)研缽研磨方式充分混合均勻。隨后依次加入聚偏氟乙烯(10wt%)和20倍于聚偏氟乙烯質(zhì)量的N-甲基吡咯烷酮，充分?jǐn)嚢杈鶆虺珊隣?。把泡沫鎳片壓平，加壓壓力?0?20MPa/cm2，把上述混合好的材料均勻涂在泡沫鎳片表面，將制好的極片于60°C真空干燥12小時(shí)。在手套箱中組裝成電池，進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)均勻連續(xù)的碳層提供了快速連續(xù)的電子傳輸，防止金屬氧化物接觸電解質(zhì)，以避免容量衰減和安全問(wèn)題；通過(guò)控制碳層的厚度，確保其具有良好彈性和機(jī)械穩(wěn)定性，有效地緩沖二氧化錫的體積膨脹。氮摻雜碳包覆層可以提高其倍率性能、循環(huán)性能和導(dǎo)電性，改善界面處的電荷轉(zhuǎn)移速率和SEI膜的穩(wěn)定性。納米纖維結(jié)構(gòu)縮短了鋰離子擴(kuò)散距離，改進(jìn)了鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)性能，從而提高材料的倍率性能。二氧化錫比容量很高，能有效提高材料的能量密度。同時(shí)，二氧化錫在首次充放電過(guò)程中分解生成的錫顆粒均勻地分散在鋰鈦固溶體和氧化鋰基體中。機(jī)械性能穩(wěn)定的二氧化鈦納米顆粒不僅阻隔了納米錫的團(tuán)聚，而且在一定程度上緩解了錫顆粒的體積膨脹，從而保證了電極材料的穩(wěn)定性。
[0018](2)本發(fā)明以多巴胺為碳源進(jìn)行碳包覆不僅提供了一種簡(jiǎn)單可行的碳包覆工藝，而且通過(guò)引入氮元素進(jìn)一步提高了電極材料的電化學(xué)性能。本發(fā)明環(huán)保，工藝簡(jiǎn)單易行、可控性強(qiáng)、成本低廉，易于推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1a是本發(fā)明實(shí)施例1制備的以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料的低放大倍數(shù)下的高倍透射圖；
[0020]圖1b是本發(fā)明實(shí)施例1制備的以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料的高放大倍數(shù)下的高倍透射圖；
[0021]圖2是發(fā)明實(shí)施例1的第一周充放電曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的制備方法對(duì)本發(fā)明所制備的氮摻雜碳包覆二氧化鈦納米纖維材料作進(jìn)一步描述:
[0023]實(shí)施例1
[0024]配置靜電紡絲溶液:將0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP;Mw=1300000)加入10.5ml無(wú)水乙醇中，再加入3.5ml冰醋酸，攪拌3?5小時(shí)，再加入1.0g的辛酸亞錫(C16H30O4Sn)和0.8g異丙醇鈦(Ti (OiPr)4)，攪拌10?20分鐘，制得靜電紡絲溶液。其中，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為1:1 ;
[0025]采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:將靜電紡絲溶液倒入帶內(nèi)徑1.2mm針頭的注射器中，在溫度為25?30°C、相對(duì)濕度5?10%的環(huán)境中，以14kV的電壓0.5ml/h的注射速度靜電紡絲。用轉(zhuǎn)速為600rpm的轉(zhuǎn)筒接收,并將接收距離控制為15cm。紡絲時(shí)間達(dá)到20h后，得到聚合物納米纖維膜；
[0026]第一熱處理工藝:將聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、50(TC下進(jìn)行熱處理，升溫速度為5°C /min，保溫時(shí)間為I小時(shí)，降溫速度為5°C /min,即得錫鈦氧化物納米纖維；
[0027]多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將200mg 二氧化鈦納米纖維分散于100ml tris緩沖液(pH=8.5)，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入50mg多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌10小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、60°C下的烘箱中烘焙10小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；
[0028]第二熱處理工藝:將聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維在惰性氛圍、500°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為3°C /min，保溫時(shí)間為4小時(shí)，降溫速度為5°C /min,即得以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料。
[0029]實(shí)施例2
[0030]配置靜電紡絲溶液:將0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP;Mw=1300000)加入10.5ml無(wú)水乙醇中，再加入3.5ml冰醋酸，攪拌3?5小時(shí)，再加入10.7g的辛酸亞錫(C16H3tlO4Sn)和
0.Sg異丙醇鈦(Ti(OiPr)4),攪拌10?20分鐘，制得靜電紡絲溶液。其中，錫、鈦前驅(qū)體的物質(zhì)的量之比為10:1 ;
[0031]采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:將靜電紡絲溶液倒入帶內(nèi)徑0.9mm針頭的注射器中，在溫度為20?25°C、相對(duì)濕度10?15%的環(huán)境中，以15kV的電壓0.6ml/h的注射速度靜電紡絲。用轉(zhuǎn)速為650rpm的轉(zhuǎn)筒接收,并將接收距離控制為16cm。紡絲時(shí)間達(dá)到20h后，得到聚合物納米纖維膜；
[0032]第一熱處理工藝:將聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、400°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為2V /min，保溫時(shí)間為2小時(shí)，降溫速度為2V /min,即得錫鈦氧化物納米纖維；
[0033]多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將200mg 二氧化鈦納米纖維分散于100ml tris緩沖液(pH=8.5)，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入80mg多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌12小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、65°C下的烘箱中烘焙12小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；
[0034]第二熱處理工藝:將聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維在惰性氛圍、550°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為2V /min，保溫時(shí)間為2小時(shí)，降溫速度為3°C /min,即得以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料。
[0035]實(shí)施例3
[0036]配置靜電紡絲溶液:將0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP;Mw=1300000)加入10.5ml無(wú)水乙醇中，再加入3.5ml冰醋酸，攪拌3?5小時(shí)，再加入0.5g的辛酸亞錫(C16H30O4Sn)和
0.8g異丙醇鈦(Ti (OiPr)4)，攪拌10?20分鐘，制得靜電紡絲溶液。其中，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為1:2 ;
[0037]采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:將靜電紡絲溶液倒入帶內(nèi)徑1.0mm針頭的注射器中，在溫度為15?20°C、相對(duì)濕度15?20%的環(huán)境中，以16kV的電壓0.7ml/h的注射速度靜電紡絲。用轉(zhuǎn)速為700rpm的轉(zhuǎn)筒接收,并將接收距離控制為17cm。紡絲時(shí)間達(dá)到20h后，得到聚合物納米纖維膜；
[0038]第一熱處理工藝:將聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、550°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為4°C /min，保溫時(shí)間為I小時(shí)，降溫速度為4°C /min,即得錫鈦氧化物納米纖維；
[0039]多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將200mg 二氧化鈦納米纖維分散于100ml tris緩沖液(PH=8.5)，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入IOOmg多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌12小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、70°C下的烘箱中烘焙14小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；
[0040]第二熱處理工藝:將聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維在惰性氛圍、400°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為2°C /min，保溫時(shí)間為5小時(shí)，降溫速度為2°C /min,即得以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料。
[0041]實(shí)施例4
[0042]配置靜電紡絲溶液:將0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP;Mw=1300000)加入10.5ml無(wú)水乙醇中，再加入3.5ml冰醋酸，攪拌3?5小時(shí)，再加入1.0g的辛酸亞錫(C16H30O4Sn)和
0.8g異丙醇鈦(Ti (OiPr)4)，攪拌10?20分鐘，制得靜電紡絲溶液。其中，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為1:1 ;
[0043]采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:將靜電紡絲溶液倒入帶內(nèi)徑1.1mm針頭的注射器中，在溫度為12?15°C、相對(duì)濕度15?20%的環(huán)境中，以18kV的電壓0.9ml/h的注射速度靜電紡絲。用轉(zhuǎn)速為700rpm的轉(zhuǎn)筒接收,并將接收距離控制為18cm。紡絲時(shí)間達(dá)到20h后，得到聚合物納米纖維膜；
[0044]第一熱處理工藝:將聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、450°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為4°C /min，保溫時(shí)間為3小時(shí)，降溫速度為4°C /min,即得錫鈦氧化物納米纖維；
[0045]多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將200mg 二氧化鈦納米纖維分散于100ml tris緩沖液(PH=8.5)，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入IOOmg多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌16小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、80°C下的烘箱中烘焙16小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；
[0046]第二熱處理工藝:將聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維在惰性氛圍、600°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為1°C /min，保溫時(shí)間為4小時(shí)，降溫速度為1°C /min,即得以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料。
[0047]實(shí)施例5
[0048]配置靜電紡絲溶液:將0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP;Mw=1300000)加入10.5ml無(wú)水乙醇中，再加入3.5ml冰醋酸，攪拌3?5小時(shí)，再加入1.0g的辛酸亞錫(C16H30O4Sn)和
0.8g異丙醇鈦(Ti (OiPr)4)，攪拌10?20分鐘，制得靜電紡絲溶液。其中，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為1:1 ;
[0049]采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:將靜電紡絲溶液倒入帶內(nèi)徑1.4mm針頭的注射器中，在溫度為10?12°C、相對(duì)濕度5?10%的環(huán)境中，以20kV的電壓1.0ml/h的注射速度靜電紡絲。用轉(zhuǎn)速為900rpm的轉(zhuǎn)筒接收，并將接收距離控制為20cm。紡絲時(shí)間達(dá)到20h后，得到聚合物納米纖維膜；
[0050]第一熱處理工藝:將聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、500°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為6°C /min，保溫時(shí)間為4小時(shí)，降溫速度為6°C /min,即得錫鈦氧化物納米纖維；
[0051]多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將200mg 二氧化鈦納米纖維分散于IOOml tris緩沖液(PH=8.5)，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入150mg多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌24小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、75°C下的烘箱中烘焙11小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維；
[0052]第二熱處理工藝:將聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維在惰性氛圍、600°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為l°c /min，保溫時(shí)間為5小時(shí)，降溫速度為10°C /min,即得以多巴胺為碳源氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料。
[0053]實(shí)施例6[0054] 將氮摻雜碳包覆的錫鈦氧化物納米纖維三元復(fù)合材料(80wt%)與導(dǎo)電炭黑Super-PC 10wt%)通過(guò)研缽研磨方式充分混合均勻。隨后依次加入聚偏氟乙烯(10wt%)和20倍于聚偏氟乙烯質(zhì)量的N-甲基吡咯烷酮，充分?jǐn)嚢杈鶆虺珊隣睢０雅菽嚻瑝浩?，加壓壓力?0?20MPa/cm2，把上述混合好的材料均勻涂在泡沫鎳片表面，將制好的極片于60°C真空干燥12小時(shí)，制得電池負(fù)極。
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米纖維材料，其特征是內(nèi)層為錫鈦氧化物，外層為氮摻雜碳包覆層，碳納米纖維直徑為100?150納米，碳層的厚度為2?8納米。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維材料的制備方法，其特征是包括如下步驟: (1)配置靜電紡絲溶液:將聚合物前驅(qū)體溶液與錫和鈦前驅(qū)體溶液充分混合，制得靜電紡絲溶液，錫、鈦前驅(qū)體物質(zhì)的量之比為0.5?10:1 ; (2)采用靜電紡絲工藝制備聚合物納米纖維膜:所述的靜電紡絲工藝參數(shù):注射器針頭內(nèi)徑為0.9?1.4mm，溫度為10?30°C，相對(duì)濕度〈30%，靜電電壓為14?20kV，紡絲液流量為0.5?1.0ml/h,接收距離為10?25cm，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為600?900rpm，采用單針或多針頭紡絲； (3)第一熱處理工藝:將步驟(2)得到的聚合物納米纖維膜在空氣氛圍、400?600°C下進(jìn)行熱處理，升溫速度為I?10°C /min,降溫速度為I?10°C /min，保溫時(shí)間為I?5小時(shí)，即得錫鈦氧化物納米纖維； (4)多巴胺包覆錫鈦氧化物納米纖維:將步驟(3)得到的錫鈦氧化物納米纖維分散于tris緩沖液，經(jīng)超聲處理形成懸浮液，再加入50?150mg的多巴胺，在空氣氛圍、室溫下攪拌5?24小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾，洗滌，在空氣氛圍、60?100°C下的真空烘箱中烘焙10?24小時(shí)，即得聚多巴胺包覆的錫鈦氧化物納米纖維； (5)第二熱處理工藝:將步驟(4)得到的產(chǎn)物在惰性氛圍、400?600°C下進(jìn)行碳化，升溫速度為I?10°C /min,降溫速度為I?10°C /min，保溫時(shí)間為2?5小時(shí)，即得碳納米纖維材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米纖維材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的聚合物為聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛的一種或兩種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、N-甲基-2-吡咯烷二酮、丙烯碳酸酯、乙酸乙酯、丁烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、Y-丁內(nèi)酯的一種或多種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米纖維材料制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的錫前驅(qū)體為四氯化錫、氯化亞錫、2-乙基己酸錫鹽、2-乙基己基酯二甲基錫、順丁烯二酸二丁基錫、二丁基二月桂酸錫、二丁基單丁酯雙馬來(lái)酸錫、二順丁烯二酸單乙酯二辛基錫、二順丁烯二酸單異辛酯二辛基錫的一種或多種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、冰醋酸的一種或多種組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述碳納米纖維材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的鈦前驅(qū)體為異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦的一種或多種組合，相應(yīng)的溶劑為無(wú)水乙醇、冰醋酸的一種或多種組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米纖維材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的碳源為多巴胺。
7.如權(quán)利要求1所述的碳納米纖維材料在制備電池負(fù)極中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103803490SQ201410069106
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】于運(yùn)花, 楊程, 劉遠(yuǎn), 楊小平 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)