多孔碳纤维及其制备方法和钠离子电池技术

本申请公开了一种多孔碳纤维，多孔碳纤维含有至少一条一维孔道，一维孔道位于碳纤维内部，且一维孔道呈线型；多孔碳纤维的层间距为0.35nm‑0.40nm。本申请多孔碳纤维内部具有连续、均匀的一维孔道，在提供活性位点的同时，能够增加电解液在孔道内的流淌速率，有利于电解液的浸润，也有利于离子的扩散和迁移，提高离子的迁移速率，进而能够增加负极材料的克容量，有效提高电池的倍率性能、可逆容量和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
多孔碳纤维及其制备方法和钠离子电池
本专利技术涉及钠离子电池领域，具体涉及一种多孔碳纤维及其制备方法和钠离子电池。
技术介绍
锂离子电池，由于具有质量轻、高能量密度等特点，已经广泛应用在汽车领域和数码消费电器中。金属钠和金属锂的化学性质相近，钠离子电池也属于摇椅式电池，通过钠离子在正负极的反复穿梭，实现电池的充放电功能，并且相对于锂离子电池，钠的原料成本更低，具有更高的化学稳定性。目前，钠离子电池常见的负极材料主要包括碳纤维等材料，但现有碳纤维材料层间距较小，抑制了钠离子的嵌入/脱出，导致钠离子电池存在可逆容量较低，倍率性能差的问题。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种多孔碳纤维及其制备方法和钠离子电池。为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：本申请的第一方面公开了一种多孔碳纤维，多孔碳纤维含有至少一条一维孔道，一维孔道位于碳纤维内部，且一维孔道呈线型；多孔碳纤维的层间距为0.35-0.40nm。需要说明的是，本申请多孔碳纤维内部具有长度连续、孔径均匀的一维孔道，在提供活性位点的同时，能够增加电解液在孔道内的流淌速率，有利于电解液的浸润，也有利于离子的扩散和迁移，提高离子的迁移速率，进而能够增加负极材料的克容量，在较大的倍率下，或者长时间循环下，能够有效避免钠枝晶的产生，从而有效提高电池的倍率性能、可逆容量和循环稳定性；此外，本申请的多孔碳纤维层间距为0.35-0.40nm，大于钠离子的直径，能够为钠离子的嵌入/脱出提供充足的空间，从而进一步增加钠离子电池的可逆容量，提高电池的循环稳定性。本申请的一种实现方式中，一维孔道的孔径为10-50nm；优选的，多孔碳纤维的纤维直径为200-500nm；优选的，多孔碳纤维掺杂有杂原子；优选的，杂原子包括N，F，S中的至少一种。需要说明的是，在多孔碳纤维中掺杂杂原子，有利于增加碳纤维的层间距和导电性，从而有利于进一步增加钠离子电池的可逆容量和倍率性能。本申请的第二方面公开了一种上述多孔碳纤维的应用，具体为在钠离子电池中的应用。本申请的第三方面公开了一种采用上述多孔碳纤维的负极。本申请的第四方面公开了一种采用上述负极的钠离子电池。本申请的第五方面公开了一种多孔碳纤维的制备方法，包括：将聚合物和线状牺牲模板溶解于有机溶剂，搅拌得到第一溶液，对混合溶液进行静电纺丝，得到内部嵌入有线状牺牲模板的碳纤维；对线状牺牲模板进行刻蚀，将刻蚀后的碳纤维进行碳化，得到多孔碳纤维。本申请的一种实现方式中，线状牺牲模板包括碲纳米线、金纳米线和银纳米线的至少一种；优选的，聚合物包括聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈中的至少一种；优选的，线状牺牲模板和聚合物质量比为1:1~1:2；优选的，第一溶液的质量百分比浓度为15%-25%，搅拌时间为8-15h；优选的，静电纺丝的条件包括：纺丝温度25℃-45℃，喷速为0.05-0.2ml/min，电压为15-30kv，正负极间距为15-30cm。本申请的一种实现方式中，对碳纤维内部的线状牺牲模板进行刻蚀具体包括：在稀硝酸或双氧水中，对线状牺牲模板刻蚀2-10h，用溶剂清洗，50℃-80℃真空干燥10-20h，以得到刻蚀后的碳纤维。本申请的一种实现方式中，将刻蚀后的碳纤维进行碳化具体包括：将刻蚀后的碳纤维放进管式炉中，以1-5℃/min的升温速率升温至120-200℃，空气环境下煅烧1-4h后，冷却至室温；再以2-10℃/min的升温速率升温至500℃-1000℃氩气气氛中煅烧1-4h并冷却至室温。本申请的一种实现方式中，碲纳米线采用以下方法制备而成：将亚碲酸盐和分散剂溶解于水中，搅拌得到第二溶液；向第二溶液加入pH控制剂、还原剂，混合均匀进行水热反应，得到碲纳米线；优选的，亚碲酸盐和分散剂的质量比为1:10~1:13；优选的，亚碲酸盐为亚碲酸钠，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；优选的，第二溶液的质量百分比浓度为2%-4%，搅拌时间为2-6h；优选的，pH控制剂为氨水，氨水的体积分数为5%-15%；优选的，还原剂为水合肼，水合肼的体积分数为10%-15%；优选的，水热反应的条件为：在150-200℃下反应2-5h。由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：本申请的多孔碳纤维内部具有连续、均匀的线型一维孔道，在提供活性位点的同时，能够增加电解液在孔道内的流淌速率，有利于电解液的浸润，也有利于离子的扩散和迁移，提高离子的迁移速率，进而能够增加负极材料的克容量，有效提高电池的倍率性能、可逆容量和循环稳定性。附图说明图1为实施例2提供的多孔碳纤维的X射线衍射图；图2为实施例2提供的多孔碳纤维的扫描电镜图；图3为实施例2提供的多孔碳纤维内部的扫描电镜图；图4为实施例3提供的钠离子电池的倍率性能测试结果图；图5为实施例3提供的钠离子电池的长循环稳定性测试结果图。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。本实施例所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备即可。本实施例所有原料，对其纯度没有特别限制，本实施例优选采用分析纯或钠离子电池材料领域常规的纯度即可。本实施例提供了一种多孔碳纤维，多孔碳纤维具有一维碳纤维骨架和至少一条一维孔道，其中，一维孔道是指长度连续、孔径均匀的线状孔道，由碳纤维包裹而分布于碳纤维内部，一维孔道在提供活性位点的同时，能够增加电解液在孔道内的流淌速率，有利于电解液的浸润，也有利于离子的扩散和迁移，提高离子的迁移速率，进而能够增加负极材料的克容量，有效提高电池的倍率性能、可逆容量和循环稳定性。可以理解的是，本实施例的一种实现方式中，一维孔道可以为线状，包裹于碳纤维内部并和碳纤维的延伸方向相同，相比于球形或者多面体形貌的三维孔道，电解液在一维线状孔道中具有更快的流淌速率，因而使得多孔碳纤维具有更快的电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔碳纤维，其特征在于，所述多孔碳纤维含有至少一条一维孔道，所述一维孔道位于碳纤维内部，且所述一维孔道呈线型；所述多孔碳纤维的层间距为0.35-0.40nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳纤维，其特征在于，所述多孔碳纤维含有至少一条一维孔道，所述一维孔道位于碳纤维内部，且所述一维孔道呈线型；所述多孔碳纤维的层间距为0.35-0.40nm。


2.根据权利要求1所述的多孔碳纤维，其特征在于，所述一维孔道的孔径为10-50nm；
所述多孔碳纤维的纤维直径为200-500nm；
所述多孔碳纤维掺杂有杂原子；
所述杂原子包括N，F，S中的至少一种。


3.一种如权利要求1或2所述的多孔碳纤维的应用。


4.一种采用权利要求1或2所述的多孔碳纤维的负极。


5.一种采用权利要求4所述的负极的钠离子电池。


6.一种如权利要求1或2所述的多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：
将聚合物和线状牺牲模板溶解于有机溶剂，搅拌得到第一溶液，对混合溶液进行静电纺丝，得到内部嵌入有线状牺牲模板的碳纤维；
对线状牺牲模板进行刻蚀，将刻蚀后的碳纤维进行碳化，得到所述多孔碳纤维。


7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述线状牺牲模板包括碲纳米线、金纳米线和银纳米线中的至少一种；
所述聚合物包括聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈中的至少一种；
所述线状牺牲模板和聚合物质量比为1:1~1:2；
所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺和无水乙醇中的至少一种；
所述第一溶液的质量百分比浓度为15%-25%，搅拌时间为8-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海伟，王文伟，赵文翔，朱盟，焦筱娟，
申请(专利权)人：北京理工大学深圳汽车研究院电动车辆国家工程实验室深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44