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一种自支撑柔性电极的制备方法及其应用
申请号	CN201710791978.8	申请日	2017-09-05	公开(公告)号	CN107394118A	公开(公告)日	2017-11-24
申请人	湘潭大学;			发明人	丁燕怀; 刘行;
摘要	本发明公开了一种自支撑柔性电极的制备方法及其应用，本发明具有环境友好，反应条件温和，无需添加导电剂和粘结剂、薄膜能自支撑和力学性能优良的优点。相比于现有的SnO2柔性电极，本发明所得柔性电极由碳包覆的纳米纤维组成，碳包覆层能保护活性材料抵抗电解液的腐蚀，抑制充放电过程中体积膨胀引起的结构坍塌，柔性电极的孔隙率高，有利于电解液的渗透。柔性电极能够承受反复的弯曲不发生破裂，并且电化学性能基本保持不变。柔性电极能够直接剪裁用于装配电池，便于电池的外形设计和组装。这些特征都有利于进一步提高该材料的电化学性能，有望成为性能优异的柔性锂离子电池电极材料。
权利要求	1.一种自支撑柔性电极的制备方法，其特征在于： (1)将5％～10％Wt的二氯化锡和4％～20％Wt聚乙烯吡咯烷酮溶解于70～91％Wt的二甲基甲酰胺和乙醇等质量混合的溶剂，配置成“核”溶液； (2)将5％～20％Wt的聚丙烯腈溶解于80～95％Wt二甲基甲酰胺溶剂中，配制成“壳”溶液； (3)取重量比为1:1的“核”和“壳”溶液，用同轴静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜； (4)将纳米纤维薄膜在惰性气体保护下热处理得到柔性电极前驱体； (5)将柔性电极前驱体在惰性气体保护下热处理得到自支撑柔性电极。 2.根据权利要求1所述的一种自支撑柔性电极的制备方法，其特征在于：同轴静电纺丝电压范围为10kV～20kV，收集距离范围为15cm～20cm。 3.根据权利要求1所述的一种自支撑柔性电极的制备方法，其特征在于：将纳米纤维薄膜在惰性气体保护下热处理的温度范围为200℃～300℃，热处理时间范围为2小时～4小时；得到柔性电极前驱体。 4.根据权利要求1所述的一种自支撑柔性电极的制备方法，其特征在于：将柔性电极前驱体在惰性气体保护下热处理温度范围为650℃～700℃；热处理时间范围为2小时～4小时。 5.一种自支撑柔性电极在锂离子电池中的应用，其特征在于：自支撑柔性电极用做锂离子电池的电极材料。
说明书全文	一种自支撑柔性电极的制备方法及其应用技术领域 [0001] 本发明涉及电极制备领域，特别涉及一种电极的制备方法及其应用。背景技术 [0002] 随着电子技术的快速进步，越来越多的电子设备正在向着轻薄化、柔性化和可穿戴的方向发展。目前柔性电子器件面临的最大困难是寻找与之相适应的柔性储能器件。传统的锂离子电池在弯曲或者折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路。因此为了适应下一代柔性电子设备的发展，柔性储能器件成为了近几年的研究热点。而柔性储能器件的关键在于柔性电极的制备。 [0003] 氧化锡(SnO2)作为一种锂离子电池负极材料具有非常好的应用前景，同时制备SnO2的原材料丰富，制备过程相对简单。基于SnO2的柔性电极制备主要采用碳纳米材料作为集流体和结构支撑，其中碳纳米材料主要是碳纤维、碳纳米管和石墨烯等(Nano letters,2008,9(1):72-75；Advanced Functional Materials,2007,17(15):2772-2778；ACS applied materials&interfaces,2012,4(10):5408-5415.)。使用碳纳米材料作为载体存在一些缺陷，如活性SnO2容易发生粉化剥离，SnO2在充放电过程中产生的体积变化容易导致柔性电极的力学性能变差。发明内容 [0004] 本发明的目的在于克服现有SnO2柔性电极容易粉化、需要额外添加导电碳纳米材料和制备工艺相对复杂的缺点，提供一种由碳包覆SnO2纳米纤维构成的柔性电极的制备方法。本发明的另一目的是将上述柔性电极应用于柔性锂离子电池。 [0005] 本发明的技术方案是，一种自支撑柔性电极的制备方法， [0006] (1)将5％～10％Wt的二氯化锡和4％～20％Wt聚乙烯吡咯烷酮溶解于70～91％Wt的二甲基甲酰胺和乙醇等质量混合的溶剂，配置成“核”溶液； [0007] (2)将5％～20％Wt的聚丙烯腈溶解于80～95％Wt二甲基甲酰胺溶剂中，配制成“壳”溶液； [0008] (3)取重量比为1:1的“核”和“壳”溶液，用同轴静电纺丝技术制备纳米纤维薄膜； [0009] (4)将纳米纤维薄膜在惰性气体保护下热处理得到柔性电极前驱体； [0010] (5)将柔性电极前驱体在惰性气体保护下热处理得到自支撑柔性电极。 [0011] 同轴静电纺丝电压范围为10kV～20kV，收集距离范围为15cm～20cm； [0012] 将纳米纤维薄膜在惰性气体保护下热处理的温度范围为200℃～300℃，热处理时间范围为2小时～4小时；得到柔性电极前驱体。 [0013] 将柔性电极前驱体在惰性气体保护下热处理温度范围为650℃～700℃；热处理时间范围为2小时～4小时。 [0014] 一种自支撑柔性电极在锂离子电池中的应用，自支撑柔性电极用做锂离子电池的电极材料。 [0015] 本发明具有如下的技术效果，与现有的制备技术相比，本发明具有环境友好，反应条件温和，无需添加导电剂和粘结剂、薄膜能自支撑和力学性能优良的优点。相比于现有的SnO2柔性电极，本发明所得柔性电极由碳包覆的纳米纤维组成，碳包覆层能保护活性材料抵抗电解液的腐蚀，抑制充放电过程中体积膨胀引起的结构坍塌，柔性电极的孔隙率高，有利于电解液的渗透。柔性电极能够承受反复的弯曲不发生破裂，并且电化学性能基本保持不变。柔性电极能够直接剪裁用于装配电池，便于电池的外形设计和组装。这些特征都有利于进一步提高该材料的电化学性能，有望成为性能优异的柔性锂离子电池电极材料。附图说明 [0016] 图1本发明制备的自支撑柔性电极的样品照片。 [0017] 图2本发明制备的自支撑柔性电极的扫描电镜图。 [0018] 图3本发明制备的自支撑柔性电极的X射线衍射图。 [0019] 图4本发明制备的自支撑柔性电极的循环伏安图。 [0020] 图5本发明制备的自支撑柔性电极的充放电曲线图。具体实施方式 [0021] 下面通过具体实施例对本发明具体实施方式予以说明。 [0022] 实施例1 [0023] 取0.8克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，同轴静电纺丝电压为15kV，收集距离15厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至650度处理2小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。本发明所制备的自支撑柔性电极能够承受反复的弯曲变形，能够直接剪裁加工。其外观形状和柔性如图1所示。 [0024] 实施例2 [0025] 取1.0克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于4.5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，同轴静电纺丝电压为15kV，收集距离15厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至700度处理2小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。 [0026] 实施例3 [0027] 取0.8克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，同轴静电纺丝电压为15kV，收集距离15厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至650度处理3小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。本发明所制备的自支撑柔性电极完全由纳米纤维组成，微观结构如图2所示。纤维内部是二氧化锡纳米纤维，外层是碳包覆层。内部的二氧化锡纤维结晶程度高，如图3所示。 [0028] 实施例4 [0029] 取0.8克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，静电纺丝电压为 [0030] 15kV，收集距离15厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至700度处理3小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。 [0031] 实施例5 [0032] 取0.8克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，同轴静电纺丝电压为18kV，收集距离18厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至650度处理2小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。 [0033] 实施例6 [0034] 取0.8克二氯化锡(SnCl2·2H2O)和0.5克聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于由5克二甲基甲酰胺(DMF)和5克乙醇组成的混合溶剂中配置成‘核’溶液；取0.5克聚丙烯腈(PAN)溶解于5克二甲基甲酰胺(DMF)中配制成‘壳’溶液；分别将上述两种溶液作为‘核’、‘壳’溶液进行同轴静电纺丝，同轴静电纺丝电压为20kV，收集距离20厘米。收集得到的薄膜在高纯氮气氛下250度热处理2小时，然后升温至650度处理2小时，冷却至室温得到黑色的自支撑柔性电极。 [0035] 实施例7 [0036] 用本发明所制备的自支撑柔性电极直接作为工作电极，浓度为1M的LiPF6的EC-DMC溶液(体积比为1:1)作为电解液，金属锂作为对电极。在PARSTAT2273电化学工作站和Land充放电测试仪上进行测试。循环伏安测试表明柔性电极具有良好的稳定性，充放电过程中没有产生明显的极化。在没有添加任何导电剂和粘结剂的情况下，柔性电极在0.5C的倍率下经过100次循环还能保持650毫安时每克的比容量。测试结果如图4、图5所示。

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