一种硅/碳纳米复合纤维及其应用的制作方法

文档序号:11870663阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种硅/碳纳米复合纤维,其特征在于,该硅/碳纳米复合纤维由碳纤维和硅纳米颗粒组成,碳纤维中嵌含有硅纳米颗粒形成空心碳球结构,且在硅纳米颗粒与碳纤维之间存在空隙以容纳硅纳米颗粒的体积膨胀。

2.根据权利要求1所述硅/碳纳米复合纤维,其特征在于,所述硅纳米颗粒占所述硅/碳纳米复合纤维总重量的10-30%。

3.根据权利要求1或2所述硅/碳纳米复合纤维,其特征在于, 所述硅纳米颗粒与碳纤维之间的空隙为12-16 nm。

4.一种锂离子电池硅基负极,其特征在于,该负极是由权利要求1所述的硅/碳纳米复合纤维制成。

5.一种权利要求1所述硅/碳纳米复合纤维的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:

(1)溶胶-凝胶法:将硅纳米颗粒分散进乙醇/水混合溶液中,在混合溶液中逐滴加入浓氨水和正硅酸乙酯,所得混合体系在室温下搅拌,离心分离、乙醇清洗,烘干,得到核壳结构的Si@SiO2颗粒;其中,硅纳米颗粒、浓氨水和正硅酸乙酯的用量比为100~300mg:3~5mL:1~ 4g,硅纳米颗粒与乙醇/水混合溶液的比例为100~300mg:300~500mL;

(2)静电纺丝:将步骤(1)所得Si@SiO2颗粒与表面活性剂、聚丙烯腈混合加入N-N二甲基甲酰胺中,55~65℃条件下搅拌10h以上,室温超声分散后得到纺丝溶液,静电纺丝得到Si@SiO2/聚丙烯腈复合纳米纤维;

(3)碳化:将步骤(2)所得Si@SiO2/聚丙烯腈复合纳米纤维预氧化,然后氩气氛围内240~320℃碳化后得到Si@SiO2/碳复合纳米纤维;

(4)氢氟酸处理:将步骤(3)所得Si@SiO2/碳复合纳米纤维在氢氟酸溶液中浸泡,控制浸泡时间小于等于5min,在碳纤维中形成嵌含有硅纳米颗粒的空心碳球结构,最后得到硅/碳纳米复合纤维。

6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,硅纳米颗粒的粒径大小为30~50 nm;乙醇与水的体积比为3:1~5:1;Si@SiO2颗粒中,硅纳米颗粒表面引入的SiO2层厚度为15~20 nm。

7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:聚丙烯腈的摩尔质量为130000-180000g/mol,聚丙烯腈在纺丝溶液中的质量百分含量为5~8%,Si@SiO2颗粒、表面活性剂与聚丙烯腈的质量比为1:1:1~3。

8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:静电纺丝的过程为:设定喷头与收集器的距离为13~17 cm,施加高压静电10~20 kV,喷射速率0.5~1.0mL/h,喷丝头直径0.3~0.6mm,待其稳定喷出时,通过铝箔纸收集器获得Si@SiO2/聚丙烯腈复合纳米纤维。

9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,设定预氧化温度为240~320℃,升温速率为3~7℃/min,保温时间为1~5h;设定碳化温度为600~800℃,升温速率为1~3℃/min,保温时间为3~8h,降温速率为10℃/min。

10.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,氢氟酸溶液的质量分数为1~3wt%;氢氟酸处理时间为0.1~2min。

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