CN112726201B - 一种碳纳米线及其在锂电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碳纳米线及其在锂电池中的应用。制备步骤如下：取聚丙烯腈，加入到N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌，得溶液；进行静电纺丝，得纤维；干燥完毕后放入管式炉中碳化，待其自然冷却后得碳纤维；粉碎，得纳米碳纤维；将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理；配制含有酒石酸铜和多巴胺的混合溶液，将得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌，烘干；再次放置于放入管式炉中，加热处理，冷却即得碳纳米线。本发明制备的碳纳米线作为锂电池负极材料表现出良好的电化学性能，具有较高的比容量出众的容量保持率，同时由于碳纳米线自身独特的结构和铜的掺杂，这有利于充放电过程中锂离子的插入脱出和离子电力的传输。

Description

一种碳纳米线及其在锂电池中的应用
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种碳纳米线及其在锂电池中的应用。
背景技术
静电纺丝法是一种简单有效的超细纤维制备方法，通过对电纺丝溶液或熔体施加高压电场，使溶液或熔体带电并在静电场中拉伸变形，然后由于溶剂挥发或熔体冷却固化从而得到超细纤维。和其他制备方法相比，静电纺丝法的工艺简单、成本低廉、适用范围广，目前已广泛应用于碳纤维及碳复合纤维的制备。
目前，碳纳米微球已广泛应用于纳米复合材料、气体储存、锂电池、燃料电池电极材料、催化剂载体和药物递送等领域。目前，但是碳纳米线的应用还不普及，主要是碳纳米线的制备方法还不够成熟，亟待进行研究提升。
发明内容
要解决的技术问题：本发明的目的是提供一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，制备的碳纳米线作为锂电池负极材料表现出良好的电化学性能，具有较高的比容量出众的容量保持率，这些优异的性能来自于本发明碳纳米线自身独特的结构和铜的掺杂，这有利于充放电过程中锂离子的插入脱出和离子电力的传输。
技术方案：一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到60-80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至700-800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理10-15min；
(7)配制含有10-20wt％酒石酸铜和5-8wt％多巴胺的混合溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌1-2h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热处理，冷却即得碳纳米线。
进一步的，所述步骤(2)中静电纺丝的条件为：纺丝电压18-21kV、接收距离9-11cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h。
进一步的，所述步骤(6)中处理条件为：电源频率10-15kHz、工作电压20kV、放电功率70-80W。进一步的，所述步骤(8)中处理温度为1100-1200℃，保温时间为4h。
上述碳纳米线在锂电池中的应用。
有益效果：
1.本发明使用静电纺丝法制备碳纤维，方法简单易行，同时纤维均匀。
2.本发明的纳米碳纤维经低温等离子处理后，形成极细的孔洞，且表面积增大，更易于与铜离子的结合且增加铜离子的结合量。
3.本发明中纳米碳纤维经多巴胺处理，多巴胺可以在其表面发生自聚，形成一层具有亲水性的膜，从而其均匀稳定的分散在水中，然后通过多巴胺对纳米碳纤维的粘附性以及聚多巴胺中氨基或亚氨基与锌离子和钒离子形成配位键，以多巴胺为中间桥梁，能够易于铜离子的吸附。
4.本发明制备的碳纳米线作为锂电池负极材料表现出良好的电化学性能，具有较高的比容量出众的容量保持率，这些优异的性能来自于本发明碳纳米线自身独特的结构和铜的掺杂，这有利于充放电过程中锂离子的插入脱出和离子电力的传输。
具体实施方式
实施例1
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到60mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压18kV、接收距离9cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至700℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理10min，其中，电源频率10kHz、工作电压20kV、放电功率70W；
(7)配制含有10wt％酒石酸铜和5wt％多巴胺的混合溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌1h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1100℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
实施例2
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到65mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压19kV、接收距离10cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至730℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理12min，其中，电源频率12kHz、工作电压20kV、放电功率75W；
(7)配制含有15wt％酒石酸铜和6wt％多巴胺的混合溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌1.5h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1150℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
实施例3
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到70mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压20kV、接收距离10cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至700-800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理13min，其中，电源频率13kHz、工作电压20kV、放电功率75W；
(7)配制含有15wt％酒石酸铜和7wt％多巴胺的混合溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌1.5h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1150℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
实施例4
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压21kV、接收距离11cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理15min，其中，电源频率15kHz、工作电压20kV、放电功率80W；
(7)配制含有20wt％酒石酸铜和8wt％多巴胺的混合溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌2h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1200℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
对比例1
本对比例与实施例4的区别在于不经低温等离子处理，具体如下：
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压21kV、接收距离11cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)配制含有20wt％酒石酸铜和8wt％多巴胺的混合溶液，将纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌2h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1200℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
对比例2
本对比例与实施例4的区别在于不含有多巴胺，具体如下：
一种碳纳米线及其在锂电池中的应用，包括以下步骤：
(1)取10g聚丙烯腈，加入到80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12h，得溶液；
(2)在纺丝电压21kV、接收距离11cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50mL/h条件下进行静电纺丝，得纤维；
(3)置于烘箱中干燥；
(4)干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
(5)用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
(6)将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理15min，其中，电源频率15kHz、工作电压20kV、放电功率80W；
(7)配制含有20wt％酒石酸铜溶液，将步骤(6)得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌2h，烘干；
(8)再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热至1200℃，保温4h，冷却即得碳纳米线。
电池的装配：
以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，将本发明碳纳米线、导电剂碳黑以及黏结剂聚偏氟乙烯按8:1:1的质量比调成浆料后，用磁力搅拌器搅拌混合均匀。用涂膜机将浆料均匀涂于铜箔上，铜箔一面光滑一面粗糙，厚度为1.6mm，将涂好浆料的铜箔置于真空干燥箱里加热至120℃干燥12h。用冲压机将铜箔冲压成一定直径的电极片，将电极片置于压片机中设置为6MPa的压力，压置5s以上。充满氩气的手套箱中的其他气体含量要求H2O的体积分数小于5×10-7。以及O2的体积分数小于5×10-7，用CR2016扣式电池为测试模型进行电池的组装，负极材料采用本发明碳纳米线，正极采用金属锂片，电解液由1mol/L的LiPF6。和碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(体积比为1:1)的混合溶液组成，隔膜采用Celgard 2400聚丙烯多孔膜。
电池电化学性能测试：
常温下，采用Land电池测试系统在0.01～3V内以一定的电流密度进行恒电流充放电循环性能测试以及多倍率循环性能测试。在电流密度为186mA·h/g的条件下测定比容量。
表1屏蔽性能测试结果
Figure BDA0002895989430000051
Figure BDA0002895989430000061

Claims (5)

1.一种碳纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取10g聚丙烯腈，加入到60-80mL N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，恒温搅拌12 h，得溶液；
（2）进行静电纺丝，得纤维；
（3）置于烘箱中干燥；
（4）干燥完毕后放入管式炉中，在氮气的保护下以5℃/min升温至700-800℃下碳化，待其自然冷却后得碳纤维；
（5）用粉碎机进行粉碎，得纳米碳纤维；
（6）将纳米碳纤维平铺在低温等离子处理装置中的地电极上处理10-15min；
（7）配制含有10-20wt%酒石酸铜和5-8wt%多巴胺的混合溶液，将步骤（6）得到的纳米碳纤维浸渍其中，磁力搅拌1-2h，烘干；
（8）再次放置于放入管式炉中，抽真空，加热处理，冷却即得碳纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中静电纺丝的条件为：纺丝电压18-21kV、接收距离9-11cm、针头直径0.8mm、推进速度0.50 mL/h。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中处理条件为：电源频率10-15kHz、工作电压20kV、放电功率70-80W。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米线的制备方法，其特征在于：所述步骤（8）中处理温度为1100-1200℃，保温时间为4h。
5.如权利要求1-4任一项所述一种碳纳米线的制备方法所制备的碳纳米线在锂电池中的应用。
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