一种碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极及其制备方法与应用

本发明属于负极材料，具体涉及一种碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着环境的恶化及石油能源的匮乏，轻量化是未来新能源电池存储设备发展的方向。而实现轻量化的一个有效途径就是构筑多功能复合材料。近年来，具有多功能性(兼顾高机械强度并具有良好储能能力)的轻量化碳基纤维增强复合材料在结构储能领域中备受瞩目，例如碳纤维增强锂离子电池因其高能量、长寿命等优势而成为目前结构储能一体化设计的首选。目前所组装的结构储能主要分为两类：1)嵌入型结构储能，主要是将单一功能的储能单元嵌入碳纤维增强聚合物复合材料层合板或夹芯板中，实现结构储能的一体化组装和设计；2)复合型结构储能，例如多功能(兼顾结构支撑和电极或集流体功能)碳纤维复合材料等。

2、与嵌入型相比，采用多功能复合材料实现的结构-储能一体化设计能够更有效地减少系统的质量和提升飞机的空间利用率，从而实现整体结构的进一步优化，具有较高的比能量和比强度。但电池的电化学性能和结构力学性能则高度依赖多功能复合材料的设计和组装。因此，开发设计新型高性能结构储能电极材料及结构储能体系是重要的研究内容。尽管复合型结构储能电池在过去十年中已经取得了一些进展，然而在实现高强高储能结构电池的组装设计上仍然面临着巨大挑战，尤其是高强、高储能纤维复合电极设计。

3、尽管目前已经采用涂敷、电泳沉积、真空抽滤等方法实现了碳纤维复合电极的制备，但其较低的活性物质负载量及纤维复合电极界面结构的不稳定降低了结构电池的系统比能量与力学承载能力。此外，与碳纤维相比，兼备高强、高韧及更高导电的碳纳米管纤维在未来结构储能复合材料制造领域具有更大的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例提供了一种碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极的制备方法，其包括：

4、使连续碳纳米管网络与包含纳米硅的纳米硅分散液充分接触，使连续碳纳米管网络与纳米硅连续原位动态均匀复合，并同步收缩纤维化，通过连续收集、并股、干燥，制得碳纳米管/纳米硅复合纤维；

5、对所述碳纳米管/纳米硅复合纤维进行机械编织，制得碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极。

6、在一些实施例中，所述碳纳米管/纳米硅复合纤维的直径为50～500μμm。

7、本发明实施例还提供了由前述制备方法制得的碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极。

8、本发明实施例还提供了前述的碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极于结构储能领域，优选为作为负极于制备锂离子电池中的应用。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

10、1)本发明提供的制备方法采用连续碳纳米管网络/纳米硅原位连续复合技术，制备高强碳纳米管/纳米硅复合纤维，并借助机械编织实现织物电极的构筑；所制备的碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极能够通过纤维结构及机械编织灵活性实现结构优化，且该织物电极不仅可以用于组装纽扣、软包、柱状、柔性等传统锂离子电池，还可以采用传统碳纤维增强热固性树脂固化工艺，组装兼顾结构支撑与储能功能的纤维增强结构锂离子电池，应用在多功能结构电池领域；

11、2)在结构锂离子电池领域，与传统碳纤维复合电极相比，碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极则具有更高导电性、电化学性能及结构形变适应性，应用于结构储能领域，能够有效提高多功能复合材料的综合性能，包括储能及结构力学性能(拉伸性能、弯曲性能)。

1.一种碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述连续碳纳米管网络是采用浮动催化法连续制备的；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述纳米硅的颗粒尺寸为20～100nm；和/或，所述纳米硅分散液中纳米硅的含量为0.1～0.4wt％；和/或，所述纳米硅分散液中分散剂的含量为0.01～0.04wt％；优选的，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮；和/或，所述溶剂包括乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、乙腈中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：使连续碳纳米管网络与纳米硅连续原位动态均匀复合，并同步收缩纤维化，通过连续收集，获得单丝，之后并股和牵伸，干燥，制得碳纳米管/纳米硅复合纤维。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述连续收集的速度为1～5m/min；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管/纳米硅复合纤维的直径为50～500μm；和/或，所述碳纳米管/纳米硅复合纤维的电导率大于500s/cm，拉伸强度大于400mpa。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述机械编织包括平织、斜织或90°编织。

8.由权利要求1-7中任一项所述制备方法制得的碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极；优选的，所述碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极的比容量大于2500mah g-1。

9.权利要求8所述的碳纳米管/纳米硅复合纤维织物电极于结构储能领域中的应用，优选的，所述应用包括作为负极于制备锂离子电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述锂离子电池包括多功能结构锂离子电池，优选的，所述锂离子电池包括纽扣锂离子电池、软包锂离子电池、柱状锂离子电池、柔性锂离子电池、纤维增强结构锂离子电池中的至少任一种。