一种石墨烯修饰的柔性可编制碳纳米纤维的制备方法
【专利摘要】一种石墨烯修饰的柔性可编制碳纳米纤维的制备方法，属于化学工业【技术领域】，首先取氧化石墨烯放入呈有DMF的容器中，获得上层棕黄色的氧化石墨烯的饱和溶液，再将聚丙烯腈高分子溶解在DMF中，得到透明的高分子溶液，氧化石墨烯的饱和溶液和高分子溶液混合得到前躯体溶液，通过静电纺丝技术或者熔融纺丝技术得到氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈纤维，干燥稳定，最后在惰性气体氛围或者真空条件下将干燥后的聚丙烯腈纤维碳化制成碳纳米纤维。本发明方法所提供的石墨烯修饰的碳纤维材料的能够应用于锂离子电池和电化学电容器中，此外，在军工和航天领域中也获得应用。
【专利说明】一种石墨烯修饰的柔性可编制碳纳米纤维的制备方法
[0001]【技术领域】
本发明属于化学工业【技术领域】，涉及一种碳纳米纤维制备方法。
【背景技术】
[0002]锂离子二次电池是高效、安全、环境友好的储能设备，具有巨大的市场应用前景和商业价值。
[0003]锂离子二次电池采用嵌锂碳材料为负极，过渡金属氧化物为正极，溶有锂盐的有机电解质溶液为电解液。通过锂离子在电极间的嵌入-脱出循环以储存和释放电能。锂离子电池的主要特点是:(1)电压高，正常工作电压范围为2.75~4.2 V，平均工作电压可达3.6 V以上，是镍镉和镍氢电池的三倍，极适合于电池的小型化、轻量化。⑵比能量高。目前商品化的锂离子电池的比能量已达到140Wh ? kg—1及300 Wh ? L—1以上，大大高于其他二次电池体系。⑶循环寿命长。由于锂离子电池两极均采用嵌入化合物，避免出现金属锂沉积析出带来的表面重现性差和枝晶等问题，循环次数一般可达1000次以上。⑷自放电小。此外锂离子电池还具有无记忆效应及与环境友好等诸多优点，已被广泛应用到便携式电子产品、电动汽车上的理想电源[参考文献:吴锋，杨汉西。绿色二次电池新体系与研究方法。北京:科学出版社，2009.]。
[0004]碳材料是迄今为止唯一一类用于商品化锂离子电池的负极材料。
[0005]作为锂离子二次电池的负极材料，首先是金属锂，随后是合金，但是他们无法解决锂离子电池的安全性能，这才诞生了以碳材料为负极的锂离子电池[参考文献:吴宇平，万春荣，姜长印，方世壁。锂离子二次电池。北京:化学工业出版社]。早期的锂离子电池采用焦炭为负极，现在商品化锂离子电池大多数采用石墨。纳米炭纤维作为锂电池的负极具有很多突出优点，主要是锂离子在碳纤维中的扩散系数比在石墨中大，并具有高的电子导电性，由于具有较高的长径比，纳米炭纤维形成的导电网络。不仅可以提高电极材料内部导电均匀性，使得电极极化效应减小，也使得电解液分解程度及首次不可逆容量降低，进而提高电池的循环性能；更为重要的是，柔性导电网络的形成，能够在插锂过程中给电极材料提供一定的弹性和可压缩性，有助于释放锂嵌入和脱嵌过程中产生的应力，进而大幅度延长高倍率下电极材料的循环寿命[参考文献:J.R.Dahn, Tao Zheng, Yinghu Liu et al.Mechanisms for Lithium Insertion in Carbonaceous Materials.[J] Science, 270(5236): 590-593.]。石墨化碳纤维的表面和电解液之间的浸润性能非常好，同时由于嵌锂过程发生在石墨的端面，从而使具有径向结构的碳纤维极利于锂离子的快速扩散，因而具有优良的大电流充放电性能。此外碳纤维材料的质量比容量也较大。
[0006]聚丙烯腈(PAN)是制造碳纤维的主要原料，经过预氧化和碳化后，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构。
[0007]目前国际上有报道的制备的碳纤维作为锂离子电池负极材料的有，韩国的KimC研究小组[参考文献:Advanced Functional Materials, 2006, 16(18): 2393-2397.13],利用电纺技术制备的优质的碳纳米纤维毡，具有自支撑性，纤维的层与层之间以及纤维之间具有很多特殊纳米空隙，有利于电解液的扩散，以及锂离子顺利地可逆地脱/嵌。并且在制备电极片时候，不需要黏合剂和添加剂，并且碳纤维在空气中稳定、无毒副作用，因此是将来制备便捷，轻便的锂离子电池的负极材料的很好产品，Frank Ko等人[参考文献:Advanced Materials 2003, 15, 1161-116520],制备的单壁碳纳米管和碳纤维的复合材料，发现纤维的机械强度有所提高。Sabina Prilutsk[参考文献:Nanotechnology 2008, 19，165603-165612]等人通过电纺技术制备了含有不同多壁碳钠米管的聚丙烯腈杂化纤维，通过后续的碳化处理得到碳纤维。碳化过程中纤维的形貌通过透射电镜和拉曼光谱进行表征，发现多壁碳纳米管的加入，增加了多晶结构的碳纤维的结晶性。
[0008]石墨烯(Graphene)以其结构独特、性能优异、理论研究价值高、应用前景广阔而备受:关注。
[0009]石墨烯具有大的比表面积，优异的电学性能，极好的结晶性，出色的化学稳定性和热力学稳定性，为新材料等领域提供了新的增长点。石墨烯开始成为备受瞩目的国际前沿和热点[Geim A.K., Novoselov K.S., The rise of grapheme.[J] Nat.Mater.,2007, 6, 183-191 ； Robert F.Service.Carbon Sheets an Atom Thick Give Rise toGraphene Dreams.[J] Science, 2009, 324, 875-877.]。但是，关于石墨稀修饰碳纤维作为锂离子电池负极材料的方面，到目前为止还没有报道。。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的技术问题是公开一种石墨烯修饰的柔性可编制碳纳米纤维的制备方法。
[0011]本发明解决技术问题的 方法包括如下步骤:
1、取氧化石墨烯放入呈有DMF(N-N 二甲基甲酰胺)的容器中，通过震荡下分散，经过静止陈化，获得上层棕黄色的氧化石墨烯的饱和溶液；
2、将聚丙烯腈高分子溶解在DMF中，得到透明的高分子溶液，其中聚丙烯腈高分子的分子量从五万到十万，高分子溶液浓度6%到12% ；
3、将步骤I获得的氧化石墨烯的饱和溶液和步骤2获得的高分子溶液混合得到前躯体溶液，氧化石墨烯的饱和溶液与高分子溶液的体积比为1:1-10 ；
4、将步骤3获得的前躯体溶液通过静电纺丝技术或者熔融纺丝技术得到氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈纤维；
5、将步骤4获得的氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈纤维干燥稳定，干燥稳定温度为230-330°C，升温速率 0.10C -1O0C /min ；
6、在惰性气体氛围或者真空条件下将干燥后的聚丙烯腈纤维碳化制成碳纳米纤维，其中碳化温度为1100-2800°C，升温速率3°C -1O0C /min。
[0012]其中步骤2中聚丙烯腈高分子的分子量从七万到九万，高分子溶液浓度8%到10%。
[0013]步骤3中氧化石墨烯的饱和溶液与高分子溶液的优选体积比为1:1-5。
[0014]步骤5中的优选升温速率3°C -1O0C /min。
[0015]步骤6中的优选碳化温度为1800-2300°C，升温速率5°C _8°C /min。
[0016]本发明方法所提供的石墨烯修饰的碳纤维材料的能够应用于锂离子电池和电化学电容器中，纳米炭纤维作为锂电池的负极具有很多突出优点，主要是锂离子在碳纤维中的扩散系数比在石墨中大，并具有高的电子导电性，由于具有较高的长径比，纳米炭纤维形成的导电网络。不仅可以提高电极材料内部导电均匀性，使得电极极化效应减小，也使得电解液分解程度及首次不可逆容量降低，进而提高电池的循环性能；更为重要的是，柔性导电网络的形成，能够在插锂过程中给电极材料提供一定的弹性和可压缩性，有助于释放锂嵌入和脱嵌过程中产生的应力，进而大幅度延长高倍率下电极材料的循环寿命[4]。石墨化碳纤维的表面和电解液之间的浸润性能非常好，同时由于嵌锂过程发生在石墨的端面，从而使具有径向结构的碳纤维极利于锂离子的快速扩散，因而具有优良的大电流充放电性能。此外碳纤维材料的质量比容量也较大。此外，石墨烯修饰的碳纤维材料在军工和航天领域中也获得应用。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为实施例1中拉曼光谱图；
图2为实施例2中石墨烯修饰的碳纤维的电极片的宏观照片；
图3为实施例2中石墨烯修饰的碳纤维的微观扫描电子显微镜照片；
图4为所得样品的典型充放电曲线；
图5为不同电流密度下所得样品的可逆容量对比。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0019]实施例1:
1.5g的分子量7万的聚丙烯腈溶解到14mlDMF溶液中，在磁力搅拌下，得到澄清溶液后，加入Iml氧化石墨烯的DMF溶液，直到2种溶液混合均匀。把制得的前躯体溶液，转移到塑料容器中，容器尖端带有金属针头，并且与能够提供高压静电的电源装置连接，在IOKV的电场力作用下，得到氧化石墨烯和聚丙烯腈共混的前躯体纳米纤维，前躯体纳米纤维在空气的氛围管状石英管中，从室温以每分钟5 °C升到270 V，然后在氮气的氛围以每分钟10°C升到1100°C,得到石墨烯修饰的碳纳米纤维。
[0020]实施例2:
1.5g的分子量7万的聚丙烯腈溶解到20ml氧化石墨烯的DMF饱和溶液中，在电动搅拌下，得到澄清的前躯体溶液，转移到塑料容器中，容器尖端带有金属枕头，容器与能够提供高压静电的电源装置连接，在20KV的电场力作用下，得到氧化石墨烯和聚丙烯腈共混的前躯体纳米纤维，前躯体纳米纤维转移到管状石英管中，在氩气氛围从室温以每分钟5 °C升到升到600°C，通入氢气一个小时后，继续通入氩气到110(TC，得到石墨烯修饰的碳纳米纤维。
[0021]实施例3:
1.5g的分子量7万的聚丙烯腈溶解到20ml氧化石墨烯的DMF饱和溶液中，在电动搅拌下，得到澄清的前躯体溶液，转移到塑料容器中，容器尖端带有金属枕头，容器与能够提供高压静电的电源装置连接，在20KV的电场力作用下，得到氧化石墨烯和聚丙烯腈共混的前躯体纳米纤维，前躯体纳米纤维在氮气氛围的管状石英管中，从室温以每分钟2°C升到270°C，，转移到氩气氛围的管式炉中，以每分钟5°C升到2700°C后以得到石墨烯修饰的碳纳米纤维。
[0022]实施例4:
2g的分子量9万的聚丙烯腈溶解到20ml氧化石墨烯的DMF饱和溶液中，在电动搅拌下，得到澄清的前躯体溶液，转移到塑料容器中，容器尖端带有金属枕头，容器与能够提供高压静电的电源装置连接，在20KV的电场力作用下，得到氧化石墨烯和聚丙烯腈共混的前躯体纳米纤维，前躯体纳米纤维在空气氛围的管状石英管中，从室温以每分钟TC升到240°C，转移到氩气氛围的管式炉中，以每分钟5°C升到1600°C后以得到石墨烯修饰的碳纳米纤维。
[0023]电极制备及电池装配过程在充氩气的手套箱内完成，玻璃纤维隔膜是从Whatman公司购买，锂片作为负极，电解液为由苏州Novolyte Technologies公司提供的I M LiPF6的碳酸乙烯酯/碳酸甲酯/碳酸二乙酯(重量比1:1:1)溶液。电池测试在Arbin BT2000的多功能电池测试系统上完成。拉曼表征使用拉曼光谱仪(JY公司，HR- 800)完成；图3纤维的形貌表征在场发射扫描电子显微 镜(FEI公司，XL 30 ESEM)完成。
[0024]图4是在50 mA 电流密度下的典型充放电曲线，具有碳材料典型的充放电特征，随着循环的进行，充放电曲线逐渐的重合，这说明材料在充放电过程中，存在材料和生成的SEI膜的逐渐的稳定过程。并且在所有电极材料里面形成稳定的SEI膜是很重要的一个因素。
[0025]图5可以看出，与商用的石墨相比，在较低电流密度下，碳纤维的可以电容最高是375mAhg^,商用石墨是STOmAhg—1 二者容量相当，但在较高(电流密度大于400 mA g_0的电流密度下，该材料的倍率性能明显优于商用的石墨以及纯碳纤维。
【权利要求】
1.一种石墨烯修饰的柔性可编制碳纳米纤维的制备方法，其特征包括以下步骤: (I)取氧化石墨烯放入呈有DMF (N-N 二甲基甲酰胺)的容器中，通过震荡下分散，经过静止陈化，获得上层棕黄色的氧化石墨烯的饱和溶液； (2)将聚丙烯腈高分子溶解在DMF中，得到透明的高分子溶液，其中聚丙烯腈高分子的分子量从五万到十万， 高分子溶液浓度6%到12% ； (3)将步骤(1)获得的氧化石墨烯的饱和溶液和步骤(2)获得的高分子溶液混合得到前躯体溶液，氧化石墨烯的饱和溶液与高分子溶液的体积比为1:1-10 ； (4)将步骤(3)获得的前躯体溶液通过静电纺丝技术或者熔融纺丝技术得到氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈纤维； (5)将步骤(4)获得的氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈纤维干燥稳定，干燥稳定温度为230-330°C，升温速率 0.10C -1O0C /min ； (6)在惰性气体氛围或者真空条件下将干燥后的聚丙烯腈纤维碳化制成碳纳米纤维，其中碳化温度为1100-2800°C，升温速率3°C -1O0C /min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤(2)中聚丙烯腈高分子的分子量从七万到九万，高分子溶液浓度8%到10%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤(3)中氧化石墨烯的饱和溶液与高分子溶液的体积比为1:1-5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤(5)中的升温速率3°C-1O0C /min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤(6)中的碳化温度为1800-2300°C，升温速率 5°C -8°C /min。
【文档编号】B82Y40/00GK103569997SQ201310583594
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】关宏宇, 付沙威, 马丽, 邵长路, 刘益春 申请人:东北师范大学