本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料、制備方法、負(fù)極極片與鋰離子電池，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料包括碳纖維、碳納米管和聚多巴胺；所述碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面；所述聚多巴胺在碳纖維與碳納米管之間以強(qiáng)相互作用形式連接碳纖維與碳納米管。本發(fā)明專利技術(shù)選擇碳納米管對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面，提升機(jī)械性能、界面性能的同時(shí)提高結(jié)構(gòu)電池負(fù)極的比容量。其中聚多巴胺在碳纖維與碳納米管之間以強(qiáng)相互作用形式連接碳纖維與碳納米管，進(jìn)一步提高了碳納米管與碳纖維之間的粘結(jié)力，使其擁有良好的力學(xué)性能。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，尤其涉及一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料、制備方法、負(fù)極極片與鋰離子電池。
技術(shù)介紹
1、碳纖維由于具有良好的電導(dǎo)率(1000s·cm-1)、優(yōu)異的機(jī)械性能(高比強(qiáng)度、高模量、高抗壓強(qiáng)度、高剪切模量)和低密度(1.7-2.0g/cm3)輕量化的優(yōu)勢(shì)作為結(jié)構(gòu)電池電極的必要組成，既可以進(jìn)行能量存儲(chǔ)，又可以承受機(jī)械負(fù)載。但是碳纖維表面呈惰性，與樹脂接觸界面性能差；此外作為結(jié)構(gòu)電池負(fù)極，碳纖維的比容量較低，難以發(fā)揮碳纖維在結(jié)構(gòu)電池中的優(yōu)勢(shì)。
2、目前，結(jié)構(gòu)化鋰離子電池(lib)通常使用碳纖維(cf)作為多功能負(fù)極材料，以提供li+存儲(chǔ)和高機(jī)械強(qiáng)度。然而，由于cf比容量較低、表面呈化學(xué)惰性、鋰化過程中體積膨脹明顯等缺陷，阻礙了結(jié)構(gòu)化lib的發(fā)展。
3、有報(bào)道通過原位生長(zhǎng)的方法在酸化的碳纖維上合成氧化鐵(fe3o4)晶體，然后在表面包覆一層pda分子，以適應(yīng)fe3o4因體積膨脹帶來(lái)的變形，同時(shí)fe3o4也為結(jié)構(gòu)電池帶來(lái)了大的比容量。但是這種方法制備下，碳纖維因酸化受到損傷，fe3o4與碳纖維之間、pda與氧化鐵之間的結(jié)合力非常弱，不利于結(jié)構(gòu)電池的機(jī)械性能和界面性能。而且fe3o4顆粒之間導(dǎo)電子能力弱，不利于結(jié)構(gòu)電池的倍率性能。
4、另有報(bào)道將石墨粉、導(dǎo)電炭黑和粘結(jié)劑pvdf按照一定比例混合，制成漿料，涂覆在碳纖維布表面，制備負(fù)極。但是這種方法帶來(lái)的電池比容量是有上限的，厚厚的一層活性材料不利于電池的機(jī)械性能與界面性能。同時(shí)，碳纖維布之間的空隙不利于纖維之間的電子傳輸。
>5、由于現(xiàn)有技術(shù)中的碳纖維負(fù)極材料無(wú)法兼具優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的電導(dǎo)率，因此，如何開發(fā)一種兼具高機(jī)械強(qiáng)度與高電化學(xué)性能的碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料已成為目前亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)目的在于提供一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料、制備方法、負(fù)極極片與鋰離子電池，本專利技術(shù)所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度與優(yōu)異的電化學(xué)性能，同時(shí)解決了包覆層易脫落的問題。本專利技術(shù)負(fù)極極片具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能，能夠顯著改善碳纖維負(fù)極材料與樹脂/電解質(zhì)材料界面結(jié)合強(qiáng)度差的問題，其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度還可以作為正負(fù)極集流體使用。提供的鋰離子電池不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)具備優(yōu)異的倍率性能和較高的比容量。
2、為達(dá)此目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：
3、第一方面，本專利技術(shù)提供了一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料包括碳纖維、碳納米管和聚多巴胺；所述碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面形成碳納米管和聚多巴胺包覆層；所述聚多巴胺在碳纖維與碳納米管之間以強(qiáng)相互作用形式連接碳纖維與碳納米管。
4、本專利技術(shù)選擇碳納米管對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面，提升機(jī)械性能、界面性能的同時(shí)提高結(jié)構(gòu)電池負(fù)極的比容量。此外這種設(shè)計(jì)也可用于結(jié)構(gòu)電池正極的集流器，因?yàn)橄啾扔阡X箔，碳納米管改性碳纖維除了有良好的電導(dǎo)率，還具有優(yōu)異的機(jī)械性能與正極活性材料抗變形能力，其中聚多巴胺在碳纖維與碳納米管之間以強(qiáng)相互作用形式連接碳纖維與碳納米管，進(jìn)一步提高了碳納米管與碳纖維之間的粘結(jié)力，使其擁有良好的力學(xué)性能。
5、以下作為本專利技術(shù)優(yōu)選的技術(shù)方案，但不作為對(duì)本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案的限制，通過以下優(yōu)選的技術(shù)方案，可以更好的達(dá)到和實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的技術(shù)目的和有益效果。
6、優(yōu)選地，碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料具有多孔結(jié)構(gòu)。
7、本專利技術(shù)的碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料中包含的多孔結(jié)構(gòu)能夠提高材料的比表面積，改善電池負(fù)極與樹脂材料之間的界面接觸，同時(shí)提高電解液的浸潤(rùn)效果，增加電解液與電極材料的接觸，提高電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。
8、優(yōu)選地，所述碳納米管和聚多巴胺包覆層的厚度為20-250nm，例如可以是20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、210nm、220nm、230nm、240nm或250nm，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。
9、優(yōu)選地，所述碳納米管包括單壁碳納米管或多壁碳納米管。
10、第二方面，本專利技術(shù)提供了一種如第一方面所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
11、(1)均勻混合碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮和水得到cnt/pvp溶液；
12、(2)混合ph緩沖劑與cnt/pvp溶液，調(diào)節(jié)溶液的ph后加入鹽酸多巴胺得到cnt/pvp/da溶液；cnt/pvp/da溶液浸漬到預(yù)處理后的碳纖維中，經(jīng)反應(yīng)、清洗、干燥得到cf@pda@cnt材料；
13、(3)將得到的cf@pda@cnt材料經(jīng)熱處理得到所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料。
14、本專利技術(shù)利用聚多巴胺(pda)與聚乙烯吡咯烷酮(pvp)協(xié)同作用，綜合提高碳纖維材料的力學(xué)性能與電學(xué)性能。其中，碳納米管的加入，提高了單根碳纖維的電導(dǎo)率，增強(qiáng)了碳纖維之間在樹脂電解質(zhì)中的電子傳導(dǎo)；本專利技術(shù)使用聚乙烯吡咯烷酮作為促進(jìn)碳納米管分散的分散劑，相較于其他分散劑，一方面，pvp能在多巴胺溶液中與多巴胺形成較強(qiáng)的相互作用，吸引多巴胺以pvp為中心沿cnt粘附并聚合，另一方面，pvp能夠在后續(xù)熱處理階段去除，從而在負(fù)極材料中留下孔隙，孔隙的形成增加了碳纖維負(fù)極材料的比表面積，改善了界面的浸潤(rùn)性，從而提高了電解液與碳纖維負(fù)極材料的接觸。
15、另外，pda的加入可以無(wú)損傷實(shí)現(xiàn)在單根碳纖維上進(jìn)行改性，增強(qiáng)碳纖維負(fù)極材料與樹脂電解質(zhì)之間的界面性能；cnt/pvp/da溶液在浸漬到碳纖維上之后，鹽酸多巴胺發(fā)生聚合反應(yīng)，在此過程中，聚多巴胺能夠連接碳納米管與碳纖維，使碳納米管能夠緊緊連接在碳纖維的表面，并與聚多巴胺一起形成一個(gè)牢固穩(wěn)定的包覆層，在電池循環(huán)過程中碳納米管不至于脫落；在此基礎(chǔ)上，通過熱處理去除雜質(zhì)，同時(shí)部分聚多巴胺發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變，從而得到更高比容量和更好倍率性能的碳纖維負(fù)極材料。
16、優(yōu)選地，所述碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮和水的質(zhì)量比為(1-2):(0.5-5):(1-10)，例如可以是1:1:1、1:1:2、1:2:1、2:1:1、2:2:1、1:1:2、1:2:3、2:1:4、2:2:6、1:3:10、1:3:2、、1:3:3、、1:3:10、1:4:10或2:1:2，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。
17、本專利技術(shù)通過進(jìn)一步控制碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮和水的質(zhì)量比為(1-2):(0.5-5):(1-10)，獲得分散均勻的碳納米管分散液，通過調(diào)控碳納米管和聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比，可以控制碳納米管在分散液中的分散狀態(tài)及后期在碳纖維上的分布狀態(tài)。
18、優(yōu)選地，所述碳納米管的直徑為7nm-20nm，例如可以是7.1nm、7.2nm、7.3n本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，其特征在于，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料包括碳纖維、碳納米管和聚多巴胺；所述碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面形成碳納米管和聚多巴胺包覆層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，其特征在于，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料具有多孔結(jié)構(gòu)；
3.一種如權(quán)利要求1或2所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮和水的質(zhì)量比為(1-2):(0.5-5):(1-10)；
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述碳纖維預(yù)處理的方法包括如下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述pH緩沖劑包括三羥甲基氨基甲烷；
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述熱處理的溫度為400℃-2000℃，優(yōu)選為400℃-750℃；
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
9.一種負(fù)極極片，其特征在于，所述負(fù)極極片包括權(quán)利要求1或2所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，或權(quán)利要求3-8任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料。
10.一種鋰離子電池，其特征在于，所述鋰離子電池包括權(quán)利要求9所述的負(fù)極極片。
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【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，其特征在于，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料包括碳纖維、碳納米管和聚多巴胺；所述碳納米管和聚多巴胺包覆在碳纖維的表面形成碳納米管和聚多巴胺包覆層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料，其特征在于，所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料具有多孔結(jié)構(gòu)；
3.一種如權(quán)利要求1或2所述碳纖維結(jié)構(gòu)電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮和水的質(zhì)量比為(1-2):(0.5-5):(1-10)；
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述碳纖維預(yù)處理的方法包括...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：呂衛(wèi)幫，潘靖怡，曲抒旋，陸牧南，高寧蕭，楊文剛，蔣瑾，姜欣榮，隋欣，王玉瓊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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