CN111342025B - 一种v2c@c复合空心纳米管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种V2C@C复合空心纳米管及其制备方法。通过同轴静电纺丝的方法将V2C纳米片均匀附着在多级结构碳纳米管上，充分发挥V2C高活性位点、高比容量特点，同时多级碳纳米管可以有效抑制二维片层结构V2C的团聚，解决由此导致的活性材料利用率低的问题。

Description

一种V2C@C复合空心纳米管及其制备方法
技术领域：
本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种V2C@C复合空心纳米管及其制备方法。
背景技术：
锂离子电池由于其高能量密度和良好的安全性等优势而受到广泛的关注。但随着电动汽车等领域的发展，人们对锂离子电池的要求越来越高，目前商业化锂离子电池所采用的石墨类炭负极已经难以满足要求，因此开发出新的比容量高、倍率性能、循环性能优异的负极材料对锂离子电池性能的提升有重要意义。
V2C具有较高的比容量，是一种理想的负极材料。但其二维片层结构较易团聚制约了它的实际应用，因而需要进行改性处理。碳纳米管作为一种新型一维纳米材料，具有高电导率，高机械强度，良好的结构适应性，可改善V2C负极材料的循环性能与倍率性能。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是随着电动汽车等领域的发展人们对锂离子电池的要求越来越高，目前商业化锂离子电池所采用的石墨类炭负极已经难以满足要求。
为解决上述问题，本发明通过将V2C纳米片均匀附着在多级结构碳纳米管上，充分发挥V2C高活性位点、高比容量特点，同时多级碳纳米管可以有效抑制二维片层结构V2C的团聚，解决由此导致的活性材料利用率低的问题。
为达到上述目的，本发明具体通过以下技术手段实现，一种V2C@C复合空心纳米管的制备方法，采用同轴静电纺丝的方法将V2C纳米片均匀附着在多级结构碳纳米管。
具体包括以下步骤：
(1)在15ml的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中加入1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀至溶解。其中DMF为溶剂，PVP是高聚合物，作为碳源。
(2)利用氟化钠和盐酸将V2AlC刻蚀，然后用去离子水离心洗涤三次，最后换置为DMF溶液洗涤一次，超声分散成均匀混合的V2C的DMF溶液。
(3)将10ml步骤(2)中的V2C的DMF溶液，加入1gPVP搅拌溶解，制备静电纺丝前驱体溶液。
(4)利用同轴静电纺丝装置，将(1)中PVP溶液放置于同心管的内管中，将(3)中PVP溶液放置于同心管的外管中，在高压下进行纺丝。其中，在同轴静电纺丝的高压电源下，所制备的材料结构内管为PVP组成的纤维，管外包覆PVP与V2C的混合相；材料由溶液变为同心管纳米纤维，同轴静电纺丝提供高压电源，并将溶液纺织成纤维。步骤(1)和步骤(3)的溶液则为反应的溶剂。
(5)将(4)中得到的V2C@C薄膜在真空干燥箱烘干，在惰性气体中进行高温退火，控制退火温度和时间，得到多级结构V2C@C复合空心纳米管。所述复合材料包括V2C纳米片和多级结构碳纳米管，所述V2C二维纳米片均匀的附着在所述多级结构上，V2C所占质量比例为20-80％。
进一步的，步骤(1)的PVP的溶解温度为75℃。如果溶解温度不足，会导致溶解不充分，而温度太高则会发生塑性形变，影响后续的反应。
进一步的，步骤(2)的刻蚀条件为在75℃下刻蚀72小时。如果刻蚀温度过低刻蚀不完全，高了则会原材料性质改变，75℃下刻蚀72小时效果最好。
进一步的，步骤(3)的PVP的溶解温度为70℃。如果溶解温度不足，会导致溶解不充分，而温度太高则会发生塑性形变，影响后续的反应。
进一步的，步骤(4)同轴静电纺丝的压力为20KV高压。如果压力过低溶液纺不成纤维，太高则纤维太细。
进一步的，步骤(5)的退火温度为200℃-800℃，退火时间为2h-8h。温度低了碳化不了，导致纳米管结构形成不了；温度高了形貌保持不好，造成材料粉碎。所以200℃-800℃条件下退火2h-8h是最优选择。
一种上述方法制备的V2C@C复合空心纳米管，其直径约为500nm，包括V2C纳米片和多级结构碳纳米管，所述V2C二维纳米片均匀的附着在所述多级结构上，V2C所占质量比例为20-80％。
本发明的有益效果为：
(1)本发明复合材料通过采用V2C纳米片均匀附着在多级结构碳纳米管上，充分发挥V2C高活性位点、高比容量特点，同时多级碳纳米管可以有效抑制二维片层结构V2C的团聚，解决由此导致的活性材料利用率低的问题，能够有效提高锂电池倍率和循环性能。
(2)本发明制备的多级结构复合纳米管直径约为500nm，且能够将V2C的质量比例控制在20-80％，充分发挥二者协同作用(即碳纳米管高导电性和V2C高比容量)，显著提高复合材料倍率性能。
(3)本发明制备方法简单且成本低廉，而由此制备的复合材料能够极大的提升锂电池的倍率和循环性能，以满足使用者需求。
附图说明
图1是本发明的合成扫描电镜图片I；
图2是本发明的合成扫描电镜图片II。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种V2C@C复合空心纳米管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在15ml的DMF溶液中加入1gPVP，在75℃下搅拌均匀至溶解。
(2)利用氟化钠和盐酸将V2AlC在75℃下刻蚀72小时，用去离子水离心洗涤三次，最后换置为DMF溶液洗涤一次，超声分散成均匀混合的V2C的DMF溶液。
(3)将10ml步骤(2)中的V2C的DMF溶液，加入1gPVP，在70℃下搅拌溶解，制备静电纺丝前驱体溶液。
(4)利用同轴静电纺丝装置，将(1)中PVP溶液放置于同心管的内管中，将(3)中PVP溶液放置于同心管的外管中，在20KV高压下进行纺丝。
(5)将(4)中得到的V2C@C薄膜在真空干燥箱烘干，在惰性气体中进行高温退火，控制退火温度和时间，得到多级结构V2C@C复合空心纳米管。所述复合材料包括V2C纳米片和多级结构碳纳米管，所述V2C二维纳米片均匀的附着在所述多级结构上，V2C所占质量比例为20-80％；其中，退火温度为200℃-800℃，退火时间为2h-8h。

Claims (6)

1.一种V2C@C复合空心纳米管的制备方法，其特征在于：采用同轴静电纺丝的方法将V2C纳米片均匀附着在多级结构碳纳米管上，包括以下步骤：
(1)在15ml的二甲基甲酰胺，即DMF溶液中，加入1g聚乙烯吡咯烷酮，即PVP，搅拌均匀至溶解得到PVP溶液；
(2)利用氟化钠和盐酸将V2AlC刻蚀，然后用去离子水离心洗涤三次，最后换置为DMF溶液洗涤一次，超声分散成均匀混合的V2C的DMF溶液；
(3)将10ml步骤(2)中的V2C的DMF溶液，加入1gPVP，搅拌溶解，制备静电纺丝前驱体溶液；
(4)利用同轴静电纺丝装置，将(1)中PVP溶液放置于同心管的内管中，将(3)中静电纺丝前驱体溶液放置于同心管的外管中，在高压下进行纺丝得到V2C@C薄膜；
(5)将(4)中得到的V2C@C薄膜在真空干燥箱烘干，在惰性气体中进行高温退火，控制退火温度为200℃-800℃，退火时间为2h-8h，得到多级结构V2C@C复合空心纳米管。
2.如权利要求1所述的V2C@C复合空心纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(1)的PVP的溶解温度为75℃。
3.如权利要求1所述的V2C@C复合空心纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(2)的刻蚀条件为在75℃下刻蚀72小时。
4.如权利要求1所述的V2C@C复合空心纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(3)的PVP的溶解温度为70℃。
5.如权利要求1所述的V2C@C复合空心纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(4)同轴静电纺丝的压力为20KV高压。
6.一种权利要求1中方法制备的V2C@C复合空心纳米管，其特征在于：包括V2C纳米片和多级结构碳纳米管，所述V2C二维纳米片均匀的附着在所述多级结构上，V2C所占质量比例为20-80％。
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