本發(fā)明涉及儲(chǔ)能材料，尤其涉及一種基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料作為一種集成力學(xué)承載和電化學(xué)儲(chǔ)能功能的新型材料，在新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有技術(shù)在電極的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和涂覆工藝上仍存在以下問題：1.導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完善：現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料電極的電子傳輸效率較低，限制了儲(chǔ)能性能的進(jìn)一步提升。2.涂覆工藝不穩(wěn)定：電極材料的涂覆工藝難以在大面積上保證涂層的均勻性，影響了整體性能。3.與碳纖維的結(jié)合力不足：傳統(tǒng)方法中，導(dǎo)電材料與碳纖維基體的界面結(jié)合力較弱，導(dǎo)致涂層易剝離。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法結(jié)合靜電紡絲和精密噴涂技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料的性能優(yōu)化。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供了一種基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
4、將碳納米管、石墨烯、mxene和有機(jī)溶劑混合，得到懸浮液；
5、將所述懸浮液與粘結(jié)劑和正極活性材料混合，得到導(dǎo)電漿料；
6、將碳纖維布進(jìn)行等離子體處理，得到改性碳纖維布；
7、將所述導(dǎo)電漿料在改性碳纖維布表面進(jìn)行靜電紡絲，形成導(dǎo)電涂層，得到碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料。
8、優(yōu)選的，所述碳納米管、石墨烯和mxene的質(zhì)量比為1～3:1～3:1。
9、優(yōu)選的，所述碳納米管的直徑為10～20nm，長度為10～30μm，電導(dǎo)率>104s/m；所述石墨烯為單層氧化還原石墨烯，厚度<1nm，側(cè)長為5～10μm；所述mxene為ti3c2tx，所述mxene的厚度<2nm，片徑為1～5μm。
10、優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯，所述聚偏二氟乙烯的分子量為450,000。
11、優(yōu)選的，所述正極活性材料包括磷酸鐵鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、富鋰錳基正極材料、磷酸鹽系正極材料或復(fù)合摻雜類正極材料。
12、優(yōu)選的，所述等離子體處理的功率為80～120w，時(shí)間為5～10min。
13、優(yōu)選的，所述靜電紡絲的條件包括：電壓10～15kv；收集距離10～15cm；漿料流速0.1～0.2ml/min。
14、優(yōu)選的，當(dāng)所需正極材料的面負(fù)載量≥5mg/cm2時(shí)，所述靜電紡絲后，還包括將導(dǎo)電漿料噴涂于導(dǎo)電涂層上；所述噴涂包括：將導(dǎo)電漿料調(diào)節(jié)至粘度為500～800mpa·s，分層噴涂在導(dǎo)電涂層上；所述噴涂的條件包括：噴涂壓力為0.2～0.5mpa；噴嘴直徑為100μm；單層厚度為20～25μm。
15、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料。
16、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用。
17、本發(fā)明采用碳納米管、石墨烯和mxene組成導(dǎo)電漿料，通過cnts、石墨烯和mxene的協(xié)同作用構(gòu)建電子傳輸?shù)母咚偻ǖ?，從而形成具有高?dǎo)電性和良好界面結(jié)合力的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)結(jié)合靜電紡絲和精密噴涂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電極涂層的均勻性和附著力的顯著提升，還通過低溫等離子體處理增強(qiáng)碳纖維表面能，提高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的附著力和穩(wěn)定性，從而顯著提升了導(dǎo)電涂層的界面結(jié)合力。本發(fā)明通過多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和涂覆工藝優(yōu)化，制得高性能的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料，顯著提升了材料的機(jī)械性能和電化學(xué)性能，優(yōu)化的涂覆工藝和增強(qiáng)的界面結(jié)合力為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
18、本發(fā)明通過多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)顯著降低了電極的電子傳輸阻力，從而提升導(dǎo)電性，優(yōu)化的涂覆工藝實(shí)現(xiàn)了電極涂層在微觀和宏觀上的一致性，提高涂層的均勻性；導(dǎo)電涂層與碳纖維基體結(jié)合更加牢固，提高了復(fù)合材料的耐久性和機(jī)械穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能密度、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，提升電化學(xué)性能。
19、本發(fā)明利用靜電紡絲技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)涂層的精確控制，當(dāng)需要大面積制備，結(jié)合噴涂技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備。
1.一種基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管、石墨烯和mxene的質(zhì)量比為1～3:1～3:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述碳納米管的直徑為10～20nm，長度為10～30μm，電導(dǎo)率>104s/m；所述石墨烯為單層氧化還原石墨烯，厚度<1nm，側(cè)長為5～10μm；所述mxene為ti3c2tx，所述mxene的厚度<2nm，片徑為1～5μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯，所述聚偏二氟乙烯的分子量為450,000。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述正極活性材料包括磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、富鋰錳基正極材料、磷酸鹽系正極材料或復(fù)合摻雜類正極材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述等離子體處理的功率為80～120w，時(shí)間為5～10min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲的條件包括：電壓10～15kv；收集距離10～15cm；漿料流速0.1～0.2ml/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)所需正極材料的面負(fù)載量≥5mg/cm2時(shí)，所述靜電紡絲后，還包括將導(dǎo)電漿料噴涂于導(dǎo)電涂層上；所述噴涂包括：將導(dǎo)電漿料調(diào)節(jié)至粘度為500～800mpa·s，分層噴涂在導(dǎo)電涂層上；所述噴涂的條件包括：噴涂壓力為0.2～0.5mpa；噴嘴直徑為100μm；單層厚度為20～25μm。
9.權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述制備方法制備得到的基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料。
10.權(quán)利要求9所述基于多級(jí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳纖維結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能復(fù)合材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用。