Sn@CNFs平行纳米纤维膜锂离子电池"整体负极材料"的结构与性能调控

利用静电纺丝技术制备金属锡/碳纳米纤维杂化负极材料的研究是高能长效锂离子电池的重要发展方向。鉴于申请人在其预研中发现，采用热牵伸工艺能够调控金属锡在碳纳米纤维中的均匀分布和结构形态以及碳纳米纤维的平行取向和导电性等优点，本申请提出，利用滚筒接收的静电纺丝技术制备金属锡/聚丙烯腈（PAN）平行纳米纤维膜，采用热牵伸、张力预氧化和碳化工艺，制备一种聚丙烯腈基碳纳米纤维负载金属锡（Sn@CNFs）的平行纳米纤维膜，采用复合材料的铺层方法，不用任何胶粘剂和导电剂，直接作为锂离子电池"整体负极材料"测试其电化学性能。通过研究制备过程参数、材料的组成和结构以及电化学性能三者之间的关系，实现Sn@CNFs平行纳米纤维膜锂离子电池"整体负极材料"的可控制备及其高容量与循环稳定性的协同效应，制备出一种结构可控、循环性能稳定且具有高比容量的新型锂离子电池负极材料。

本项目利用滚筒接收的静电纺丝技术制备锡前驱体/聚丙烯腈(PAN)平行纳米纤维膜，再依次采用热牵伸、预氧化和碳化工艺，制备一种碳纳米纤维负载金属锡(Sn@CNFs)的平行纳米纤维膜锂离子电池负极材料。首先，对锡前驱体纺丝液的配置进行了研究，得到了可纺性好的SnCl4/乙二醇与PAN/DMF的混合纺丝液；其次，研究了热牵伸工艺、预氧化工艺和碳化工艺过程中材料的结构和组成的变化，分析了Sn@CNFs的形成机制；然后，通过优化电极组装结构，选择了直接电极法，将Sn@CNFs直接作为锂离子电池负极材料，组装时不用任何胶粘剂和导电剂，研究了不同热牵伸、预氧化和碳化工艺条件下所得材料的电化学性能，得到了制备工艺参数与材料电化学性能之间的关系。最后，将制备过程参数、材料的组成和结构以及电化学性能三者之间进行关联分析，实现了Sn@CNFs平行纳米纤维膜锂离子电池直接负极材料的优化制备及其高的电化学性能的协同，制备出一种结构可控、循环性能稳定、具有高可逆比容量的新型复合锡基锂离子电池负极材料。另外，除了完成本项目中提出的Sn@CNFs电极材料的制备研究外，我们还把相关的工艺方法、表征技术、分析手段等进行了拓展应用，制备了C-CNFs, TiO2/CNFs和SiOx-CNFs等系列的复合碳纳米纤维膜锂离子电池电极材料，均具有优异的电化学性能。