电纺技术制备石墨烯修饰的碳纤维及其在锂电池负极材料方面的应用研究

锂离子二次电池是高效、安全、环境有好的绿色电池。目前商用锂电池负极主要采用石墨材料。由于石墨材料尺寸较大， 锂离子和电子传输路经长，因此电池的倍率性差。本项目以静电纺丝技术制备石墨烯修饰的复合碳纤维为研究对象，利用纤维本身的纳米尺寸，纤维间具有纳米多孔的特性，将复合碳纤维制备成不需要导电剂、粘合剂的自支撑电极片。研究和探索不同含量的石墨烯对碳纤维的结晶性、导电性、机械强度的影响机理；研究离子和电子在复合纤维材料构筑的三维导电网络中的输运与存储特性；考察石墨烯修饰后的碳纤维作为锂离子电极材料的倍率性能和循环稳定性，这项工作对制备轻便、安全、廉价、环境友好的锂离子电池具重要的实际意义。

“电纺技术制备石墨烯修饰碳纤维及其在锂电池负极方面的应用研究”青年基金项目，基于目前锂离子二次电池作为高效、安全、环境有好的绿色电池的研究热点，具有巨大的市场应用前景和商业价值。在商品应用的锂离子电池的负极材料，目前都是采用嵌锂碳材料为负极。早在2006年Kim C 研究小组（Advanced Functional Materials, 2006, 16(18): 2393-2397.），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，本项目借鉴电纺技术成功制备纳米碳纤维∕纳米管以及碳纤维∕无机纳米颗粒的成功经验，充分考虑石墨烯在比表面积、电子导电性和电子迁移率比碳管的优异的性能，拟从材料的设计合成入手、采用溶胶-凝胶、化学氧化还原方法、静电纺丝等多种技术手段相结合的方法，制备石墨烯∕碳纳米纤维复合材料，作为一种自支撑不需要导电剂、粘合剂的具有三维纳米孔结构的锂电池负极电极片，研究其电化学性能，为将来应用在便捷，轻便的锂离子电池上。本项目将重点研究以下两方面内容：一，探索石墨烯对碳纤维的结晶性、导电性、机械强度的影响；二，研究离子和电子在具有三维空间导电网络的复合纤维材料的输运与存储特性，考察石墨烯修饰后的碳纤维作为锂离子电极材料的倍率性能和循环稳定性。从研究结果来看，与商用石墨和纯碳纤维相比，我们通过电纺丝方法制备石墨烯修饰的碳纤维表现出更高的比容量和更好的倍率性能。通过四探针测试到石墨烯修饰的电纺碳纤维比纯碳纤维表面电阻率低，拉曼光谱测试结果表明，石墨烯修饰的碳纤维材料的石墨结晶化更好。研究表明，石墨烯修饰的电纺碳纤维的导电性、结晶性和电化学性质都比纯碳纤维有所提高，对于这种经过石墨烯修饰的碳纤维不仅在锂电池负极片方面应用发面有所发展，对于制备高质量的碳纤维也有一定借鉴意义。