一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用技术

一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用，它涉及一种电池负极材料的制备方法及应用。本发明专利技术的目的是要解决现有双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料存在电子电导率小、容量、倍率性能差和负极材料极片制备复杂的问题。方法：一、制备SiO

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用
本专利技术涉及一种电池负极材料的制备方法及应用。
技术介绍
由于钠资源丰富且成本较低，可充电钠离子电池有望成为锂离子电池的替代者。但是，钠的离子半径(0.102nm)和摩尔质量比锂的离子半径(0.076nm)和摩尔质量大，钠离子电池表现出比容量低，循环稳定性和倍率性能差等缺点，因此探索高性能钠离子电池阳极材料很有必要。最近，各种金属及其合金被认为是很有前途的阳极材料，主要是因为它们理论容量高，导电性强，金属及其合金的原子利用效率很高(M＝Sn，Sb，Ge等)，并且不会产生绝缘产品(如Na2O和Na2S)，这有利于增加SIB的总能量和功率密度。但它们在电化学反应过程中易发生剧烈的体积膨胀/收缩(520％，390％)，并在几个循环后造成明显的容量损失，从而降低循环寿命。为了解决上述问题，一种有效的策略是设计二元金属间化合物合金以产生新的物理和化学性质。一方面，适当的合金元素组合可以实现更好的速率能力和容量保持性，因为插入了导电元素可以减少活性物质的积累和界面电荷转移的阻力。另一方面，具有电化学惰性的过渡金属可以充当限制缓冲剂以适应较大的体积变化。作为很少研究的双金属合金SbSn，不仅基于完全钠化后生成Na3Sb和Na3.75Sn产物能提供约752mAhg-1的比容量，而且相对于Na/Na+具有适当的合金化/脱合金潜力。由于Sn和Sb的合金化/脱合金电势不同，因此Sb可以先充当缓冲剂以适应钠化反应期间的体积膨胀。而且，逐步的钠插入机制可以抑制体积膨胀并提高电极的机械稳定性。此外，Sn和Sb都具有存储钠离子的能力，SbSn可以大大降低在放电/充电过程中产生的内应力并保持结构稳定性，并且有助于提升整个电池的比容量。但是，目前双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料仍然存在电子电导率小、容量和倍率性能差的问题。同时，当前的电池极片制作工艺比较繁琐，制备过程中需要使用粘结剂和导电炭黑，之后还需要进行涂覆和压片，这不仅提高了电池制作的成本和时间，同时对设备也要求比较高。所以，简化电池极片制备工艺也是研究的一个重要目标。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料存在电子电导率小、容量、倍率性能差和负极材料极片制备复杂的问题，而提供一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用。一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、制备SiO2@SiO2/RF材料：首先将无水乙醇、去离子水和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，磁力搅拌，再加入间苯二酚和甲醛，再进行磁力搅拌，得到反应产物Ⅰ；对反应产物Ⅰ进行离心洗涤，最后烘干，得到SiO2@SiO2/RF材料；步骤一中所述的正硅酸乙酯与无水乙醇的体积比为(3～4)(60～80)；步骤一中所述的间苯二酚的质量与无水乙醇的体积比为(0.3g～0.5g)(60mL～80mL)；步骤一中所述的甲醛与无水乙醇的体积比为(0.4～0.6)(60～80)；二、制备空心碳壳：①、将SiO2@SiO2/RF材料平铺到石英舟中，然后将石英舟放到管式炉的中间位置，再在氩气气氛保护下将管式炉从室温升温至600℃～700℃，再在600℃～700℃下保温，冷却至室温，得到反应产物Ⅱ；②、将反应产物Ⅱ浸入到氢氧化钠溶液中，取出后清洗，烘干，得到空心碳壳材料；三、复合制备薄膜：①、将空心碳壳和聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入锡源和锑源进行磁力搅拌，得到混合物；将混合物装入注射器中，通过注射泵控制混合物的流速，在针和收集器之间施加高压，调整针头和收集器之间的距离，最后用铝箔来收集产物，得到复合纳米纤维薄膜；步骤三①所述的空心碳壳的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.1g～0.3g):(6mL～10mL)；步骤三①所述的聚丙烯腈的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.6g～0.8g):(6mL～10mL)；步骤三①所述的锡源的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.4g～0.6g):(6mL～10mL)；步骤三①所述的锑源的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.4g～0.6g):(6mL～10mL)；②、将复合纳米纤维薄膜平铺到石英舟中，再放到管式炉的正中间，在空气中将管式炉从室温升温至220℃～280℃，保温1h～2h，再在氩气和氢气的混合气体中以升温到600℃～700℃，保温1h～2h，冷却至室温，得到氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜。一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜作为负极材料用于制备钠离子电池。一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜直接用作钠离子电池负极材料，无需加任何粘结剂和导电剂。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术使用静电纺丝的方法制备出氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜作为负极材料，使SbSn分散性和纳米化程度提高，提高了材料的容量和倍率性能；二、本专利技术方法具有操作方法简单且通用，原料选择广泛，可以通过改变加工条件轻松地对合成的碳纳米纤维(CNF)的结构和性能进行调整，简易复合等优点；制备出的氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜作为负极材料结构新颖，并且可用作钠离子电池负极，在钠离子全电池中也具有一定的商业价值；双金属合金理论容量高，导电性强，具有广泛的应用前景；三、本专利技术方法获得氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜直接作为电极极片，制备过程中无需使用粘结剂和导电炭黑以及没有涂覆和压片工艺，简化了电池制备工艺，缩减了电池制作的成本和时间；四、本专利技术制备的钠离子电池的首圈充电比容量可达到1138mAh·g-1，首圈放电比容量可达到889mAh·g-1，库伦效率可保持在74.8％。本专利技术可获得一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜。附图说明图1为实施例一制备的氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的照片；图2为实施例一制备的氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的XRD图；图3为实施例一制备的氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的TEM图；图4为实施例二制备的钠离子电池的首圈充放电曲线；图5为实施例二制备的钠离子电池的循环和库伦效率曲线，图中1为放电，2为充电，3为库伦效率；图6为实施例二制备的钠离子电池的倍率曲线；图7为XRD图，图中1为对比实施例一制备的双金属合金SbSn纳米颗粒封装电纺氮掺杂碳纳米纤维的二次电池负极材料的XRD曲线，2为JCPDS#33-0118-SbSn；图8为对比实施例一制备的双金属合金SbSn纳米颗粒封装电纺氮掺杂碳纳米纤维的二次电池负极材料的TEM图；图9为对比实施例二制备的钠离子电池的首圈充放电曲线；图10为对比实施例二制备的钠离子电池的倍率曲线。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改和替换，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：/n一、制备SiO

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、制备SiO2@SiO2/RF材料：
首先将无水乙醇、去离子水和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，磁力搅拌，再加入间苯二酚和甲醛，再进行磁力搅拌，得到反应产物Ⅰ；对反应产物Ⅰ进行离心洗涤，最后烘干，得到SiO2@SiO2/RF材料；
步骤一中所述的正硅酸乙酯与无水乙醇的体积比为(3～4)(60～80)；
步骤一中所述的间苯二酚的质量与无水乙醇的体积比为(0.3g～0.5g)(60mL～80mL)；
步骤一中所述的甲醛与无水乙醇的体积比为(0.4～0.6)(60～80)；
二、制备空心碳壳：
①、将SiO2@SiO2/RF材料平铺到石英舟中，然后将石英舟放到管式炉的中间位置，再在氩气气氛保护下将管式炉从室温升温至600℃～700℃，再在600℃～700℃下保温，冷却至室温，得到反应产物Ⅱ；
②、将反应产物Ⅱ浸入到氢氧化钠溶液中，取出后清洗，烘干，得到空心碳壳材料；
三、复合制备薄膜：
①、将空心碳壳和聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入锡源和锑源进行磁力搅拌，得到混合物；将混合物装入注射器中，通过注射泵控制混合物的流速，在针和收集器之间施加高压，调整针头和收集器之间的距离，最后用铝箔来收集产物，得到复合纳米纤维薄膜；
步骤三①所述的空心碳壳的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.1g～0.3g):(6mL～10mL)；
步骤三①所述的聚丙烯腈的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.6g～0.8g):(6mL～10mL)；
步骤三①所述的锡源的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.4g～0.6g):(6mL～10mL)；
步骤三①所述的锑源的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为(0.4g～0.6g):(6mL～10mL)；
②、将复合纳米纤维薄膜平铺到石英舟中，再放到管式炉的正中间，在空气中将管式炉从室温升温至220℃～280℃，保温1h～2h，再在氩气和氢气的混合气体中以升温到600℃～700℃，保温1h～2h，冷却至室温，得到氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜。


2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中所述的氨水的质量分数为28％；无水乙醇、去离子水和氨水的体积比为(60～80)(5～15):(1～5)；步骤一中首先将无水乙醇、去离子水和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下磁力搅拌10min～20min，再加入间苯二酚和甲醛，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下进行磁力搅拌24h～26h，得到反应产物Ⅰ。


3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中首先使用去离子水对反应产物Ⅰ进行离心洗涤3次～5次，再使...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘肖杰，杨丽杰，党洁，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61