鈉離子電池用四氧化三鈷碳納米纖維的電紡絲制備方法技術

鈉離子電池用Co

Electrospinning process for preparing four co three carbon nanofibers from sodium ion batteries

Co for sodium ion batteries

【技術實現步驟摘要】
鈉離子電池用四氧化三鈷碳納米纖維的電紡絲制備方法
本專利技術屬于鈉離子電池負極材料
，具體涉及鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法。
技術介紹
過去的數十年，鋰離子電池以其較高的能量密度和較長的使用壽命在各類便攜式電子設備、電動車中得到廣泛應用。但是鋰資源有限，價格昂貴，一定程度上限制了鋰離子電池的大規模應用。鈉與鋰在元素周期表中處于同一主族，具有相似的物理化學性質。鈉離子電池由于鈉資源蘊藏量豐富、環境友好受到了廣泛關注。鈉離子電池的研究開發在一定程度上可緩和因鋰資源短缺引發的電池發展受限問題，被認為是替代鋰離子電池作為大規模儲能電站配備電源及下一代電動汽車動力電源的理想選擇。然而，由于鈉離子的半徑要比鋰離子的半徑大55％，導致電化學反應過程中鈉離子擴散速度慢，很難嵌入和脫嵌于已經商業化的鋰離子電池負極材料石墨粉。因而尋找合適的鈉離子電池負極材料成為鈉離子電池研究的熱點。過去的十幾年時間里，科研工作者對鈉離子電池的正極材料開展了廣泛的研究，但對鈉離子電池負極材料的研究仍處于起步階段。在現有的鈉離子電池負極材料體系中，碳納米纖維具有良好的沖放電循環穩定性，但其可逆比容量太低(小于300mAhg-1)，不能滿足高比容量鈉離子電池商業化應用的需求。已有的研究結果表明，過渡金屬氧化物作為鈉離子電池負極材料具有很高的理論可逆比容量(約1000mAhg-1)。RahmanM.M.等人(Chem.Commun.，50(2014)5057-5060)報道了Co3O4粉末作為鈉離子電池負極材料的研究結果：在25mAg-1的電流密度下，循環50次后，其可逆比容量仍保持在447mAhg-1。但是由于Co3O4本身電子/離子電導率較低，從而降低了它作為電極材料的倍率性能，再加上其復雜的電極制造工藝，限制了其作為鈉離子電池負極材料的大規模使用。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供了鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，制備的Co3O4碳納米纖維將Co3O4的較高可逆比容量和碳納米纖維的較高電子/離子電導率結合起來，具有工藝簡單、成本低的優點。為了達到上述目的，本專利技術采取的技術方案為：鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.14～0.29g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.08～0.15g/mL；所述的Co2+鹽選自氯化鈷、硝酸鈷或硫酸鈷中的任意一種；所述的有機溶劑選自乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一種；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量為130萬；2)電紡絲法制備Co2+鹽/PVP復合纖維膜：以步驟1)得到的電紡絲前驅體液進行靜電紡絲，得到Co2+鹽/PVP復合纖維膜，紡絲電壓12～25kV；噴頭到接收板的間距8～20cm；環境濕度30～60％；3)Co3O4碳納米纖維的制備：將步驟2)得到的Co2+鹽/PVP復合纖維膜進行煅燒，使其預氧化和碳化，得到Co3O4碳納米纖維，預氧化的參數為：升溫速率為0.5～6℃/min；煅燒溫度為300～400℃；煅燒時間為2～5h；煅燒氣氛為空氣；碳化的參數為：升溫速率為3～8℃/min；煅燒溫度為700～900℃；煅燒時間為2～5h；煅燒氣氛為空氣。根據上述方法制備的Co3O4碳納米纖維，其Co3O4納米晶體的形貌為超薄六方納米片狀，粒徑為5～20nm，均勻地嵌在直徑約為150nm的碳納米纖維中，Co3O4碳納米纖維用于鈉離子電池負極材料。本專利技術的有益效果為：本專利技術利用電紡絲法和空氣氣氛煅燒工藝，制備鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維負極材料，進一步提高Co3O4碳納米纖維比表面積。制備的Co3O4碳納米纖維具有獨特的超薄納米片與多孔碳納米纖維之間交聯鑲嵌結構，有效地促進電解液的滲透和電子/離子的轉移，縮短鈉離子在材料中的擴散路徑，有利于鈉離子的嵌入和脫嵌。在100mAg-1的電流密度下，其首次放電可逆比容量可達到654mAhg-1，循環60次后，其可逆比容量保持在518mAhg-1，在大電流密度下具有較好的容量保持率和較好的循環穩定性，將其應用于鈉離子電池負極具有優異的充放電倍率性能，滿足鈉離子電池大容量能量存儲的應用需求，具有工藝簡單、成本低的優點。附圖說明圖1(a)和圖1(b)是實施例1中前驅體納米纖維的SEM圖像；圖1(c)和(d)是實施例1制備的Co3O4碳納米纖維的SEM圖像。圖2是實施例1制備的Co3O4碳納米纖維在100mAg-1的電流密度下的循環性能圖。具體實施方式以下結合實施例對本專利技術作詳細描述。實施例1，鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.14g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.08g/mL；所述的Co2+鹽為硝酸鈷；所述的有機溶劑為乙醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量為130萬；2)電紡絲法制備Co2+鹽/PVP復合纖維膜：以步驟1)得到的電紡絲前驅體液進行靜電紡絲，得到Co2+鹽/PVP復合纖維膜，紡絲電壓15kV；噴頭到接收板的間距12cm；環境濕度50％；3)Co3O4碳納米纖維的制備：將步驟2)得到的Co2+鹽/PVP復合纖維膜進行煅燒，使其預氧化和碳化，得到Co3O4碳納米纖維，預氧化的參數為：升溫速率為2℃/min；煅燒溫度為350℃；煅燒時間為2h；煅燒氣氛為空氣；碳化的參數為：升溫速率為4℃/min；煅燒溫度為800℃；煅燒時間為2h；煅燒氣氛為空氣。圖1(a)和(b)是本實施例的Co2+鹽/PVP復合纖維膜的SEM圖像，從圖中可看出復合纖維膜具有光滑的表明形貌；圖1(c)和(d)是本實施例Co3O4碳納米纖維的SEM圖像，從圖中可看出該類材料具有獨特的超薄納米片與多孔碳納米纖維之間交聯鑲嵌結構，可有效促進電解液的滲透和電子/離子的轉移，縮短鈉離子在材料中的擴散路徑，有利于鈉離子的嵌入和脫嵌。圖2是本實施例Co3O4碳納米纖維，在100mAg-1的電流密度下的循環性能圖，從圖可看出該材料首次放電可逆比容量可達到654mAhg-1，循環60次后，其可逆比容量保持在518mAhg-1，表明Co3O4碳納米纖維負極材料在大電流密度下具有較好的容量保持率和較好的循環穩定性，將其應用于鈉離子電池負極具有優異的充放電倍率性能。實施例2，鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.16g/mL；然后再給混合溶液加入本文檔來自技高網...

【技術保護點】
鈉離子電池用Co

【技術特征摘要】
1.鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.14～0.29g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.08～0.15g/mL；所述的Co2+鹽選自氯化鈷、硝酸鈷或硫酸鈷中的任意一種；所述的有機溶劑選自乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一種；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量為130萬；2)電紡絲法制備Co2+鹽/PVP復合纖維膜：以步驟1)得到的電紡絲前驅體液進行靜電紡絲，得到Co2+鹽/PVP復合纖維膜，紡絲電壓12～25kV；噴頭到接收板的間距8～20cm；環境濕度30～60％；3)Co3O4碳納米纖維的制備：將步驟2)得到的Co2+鹽/PVP復合纖維膜進行煅燒，使其預氧化和碳化，得到Co3O4碳納米纖維，預氧化的參數為：升溫速率為0.5～6℃/min；煅燒溫度為300～400℃；煅燒時間為2～5h；煅燒氣氛為空氣；碳化的參數為：升溫速率為3～8℃/min；煅燒溫度為700～900℃；煅燒時間為2～5h；煅燒氣氛為空氣。2.根據權利要求1所述的方法制備的Co3O4碳納米纖維，其特征在于：其Co3O4納米晶體的形貌為超薄六方納米片狀，粒徑為5～20nm，均勻地嵌在直徑約為150nm的碳納米纖維中。3.根據權利要求1所述的鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.14g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.08g/mL；所述的Co2+鹽為硝酸鈷；所述的有機溶劑為乙醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量為130萬；2)電紡絲法制備Co2+鹽/PVP復合纖維膜：以步驟1)得到的電紡絲前驅體液進行靜電紡絲，得到Co2+鹽/PVP復合纖維膜，紡絲電壓15kV；噴頭到接收板的間距12cm；環境濕度50％；3)Co3O4碳納米纖維的制備：將步驟2)得到的Co2+鹽/PVP復合纖維膜進行煅燒，使其預氧化和碳化，得到Co3O4碳納米纖維，預氧化的參數為：升溫速率為2℃/min；煅燒溫度為350℃；煅燒時間為2h；煅燒氣氛為空氣；碳化的參數為：升溫速率為4℃/min；煅燒溫度為800℃；煅燒時間為2h；煅燒氣氛為空氣。4.根據權利要求1所述的鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.16g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.10g/mL；所述的Co2+鹽為氯化鈷；所述的有機溶劑為甲醇；所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量為130萬；2)電紡絲法制備Co2+鹽/PVP復合纖維膜：以步驟1)得到的電紡絲前驅體液進行靜電紡絲，得到Co2+鹽/PVP復合纖維膜，紡絲電壓12kV；噴頭到接收板的間距8cm；環境濕度35％；3)Co3O4碳納米纖維的制備：將步驟2)得到的Co2+鹽/PVP復合纖維膜進行煅燒，使其預氧化和碳化，得到Co3O4碳納米纖維，預氧化的參數為：升溫速率為1℃/min；煅燒溫度為300℃；煅燒時間為2.5h；煅燒氣氛為空氣；碳化的參數為：升溫速率為4℃/min；煅燒溫度為700℃；煅燒時間為2.5h；煅燒氣氛為空氣。5.根據權利要求1所述的鈉離子電池用Co3O4碳納米纖維的電紡絲制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)電紡絲前驅體液的配置：將Co2+鹽溶于去離子水和有機溶劑按照體積比1:1的混合溶液中，Co2+鹽的質量與去離子水和有機溶劑混合溶液的質量體積比為0.18g/mL；然后再給混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉體，攪拌得到均勻的電紡絲前驅體液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與去離子水和有機...

【專利技術屬性】
技術研發人員：辛督強，王永倉，徐強，
申請(專利權)人：西京學院，
類型：發明
國別省市：陜西,61