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《五邑大学》 2020年
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静电纺柔性碳纳米纤维的可控制备及其电化学性能研究

蔡伟萍  
【摘要】:当今社会要发展,能源和环境问题是必须要解决的两个关键问题。探索新型环保高效的储能技术是解决问题的重要途径。其中对各种新型的复合材料的开发是实现这一重要目标的核心。碳纳米复合材料保持碳材料的固有特点的同时,还具有来源丰富、形式多样等优点,成为当前研究的热点材料之一,被广泛应用于机械、交通、生物医用、航空航天等领域。而碳纳米复合纤维由于优异的特性,如导热性、质量轻、电导率高等,在电极材料、多功能复合材料、储氢材料等领域存在较大的应用潜力。鉴于此,本课题通过对基础碳材料组分及结构进行设计制备了LLZO/C(锆酸锂镧/碳)柔性混合离子导体碳纳米纤维膜和B-F-N三原子掺杂的CNT复合多孔碳纳米纤维(CNT-PCNFs),并研究了两种新型碳基复合纳米碳材料在锂硫电池中的应用,还探究了CNT-PCNFs在超级电容器性能。归纳起来,本文工作主要有以下三个部分:(1)开发一种离子和电子双传导的硫正极材料对于发展固态锂硫电池技术具有重要的意义。我们采用熔盐法与静电纺丝技术结合惰性气体碳化法,以聚丙烯腈(PAN)为碳源,LLZO为添加剂制备了快离子导体颗粒在纤维表面均匀分布的柔性碳纳米纤维膜(LLZO/C),并用于锂硫电池。LLZO/C内部形成连续稳定的导电网络,且无须粘合剂、集流体,极大的减轻电池质量,增大能量密度。用作硫正极,在0.1C放电密度下首圈放电容量达1026 mAh·g~(-1),且电化学稳定性好。LLZO/C混合导体正极材料为固态锂硫电池正极材料的开发及结构构建提供了重要方向,对促进固态锂硫电池产业化及实用化也具有重要意义。(2)柔性多孔碳纳米纤维(PCNFs)作为电极支架材料在锂硫电池和超级电容器领域受到广泛关注和应用,而在PCNFs内部构建更精细的形态和导电增强网络是提升其应用性能的有效策略。我们将兼具导电性和机械性能的CNT分散到聚四氟乙烯(PTFE)、硼酸(BA)和聚乙烯醇(PVA)的稳定溶胶中,经静电纺丝、高温碳化,获得具有连续均匀分布的三级多孔的B-F-N三掺杂CNT-PCNFs,其中CNT趋于平行于纤维轴向。探究了静电纺制备CNT-PCNFs的形成机理和柔性影响机理。(3)基于(2)的研究,进一步探讨CNT-PCNFs电极材料在锂硫电池及在双电层超级电容器中的电化学性能。用作硫正极时,0.2 C的电流密度下首圈放电容量达1026 mAh·g~(-1),150个循环后库伦效率达99.04%,有良好的循环稳定性;组装的对称超级电容器在20 mV·s~(-1)时具有164 F·g~(-1)的高质量电容,在2 A·g~(-1)电流密度下,20000次循环后容量保持率为92.5%。这种设计策略制备的电极支架材料在高精度范围内具有的微观开放的分级孔结构,有利于电解液的渗透和传输,为高性能储能器件的电极支架做好铺垫。
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