羟基磷灰石纳米线复合材料的储能和力-电性能研究

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纳米羟基磷灰石(HAP)作为一种可再生的生物材料,其表面含有丰富的含氧官能团,并具有良好的生物相容性、突出的吸附性和优异的力学性能。到目前为止,研究者对其展开了大量的研究,合成了各种形貌和特定用途的HAP纳米材料,包括纳米颗粒、微纳米球体、纳米片、纳米线、纳米管和纳米棒等。其中,大长径比的一维羟基磷灰石纳米线(HAP NWs)具有柔韧性、高强度、易构建成三维网络、热稳定性和生物相容性等特点。因此,HAP NWs已经在生物医学器件、新能源、防火和隔热、空气和水源净化、表面疏水涂层、高强度纳米复合材料等前沿领域得到了广泛应用。然而,制备具有高结晶性、高纯度、超长度(大于100μm)、良好分散性和尺寸分布均一的HAP NWs还面临着巨大的挑战。并且,就高温固态聚合物电解质和离子皮肤领域而言,目前还没有涉及HAP NWs的相关研究。因此,本文的研究目的是制备形貌可控的超长HAP NWs,并进一步对其进行表面改性的研究,以探索在高温固态聚合物电解质和离子皮肤领域应用的可能性。具体的研究内容如下所示:(1)杂化固态聚合物电解质的制备及高温性能的研究1)通过水热反应法合成出超长HAP NWs悬浮液,并采用真空抽滤装置将其抽滤成多孔的三维框架薄膜,以获得具有自支撑结构的热稳定性HAP NWs薄膜。受中国传统的“太极”思想启发,设计了HAP NWs框架/聚氧化乙烯(HAP-PEO)杂化固态聚合物电解质。2)通过高温和明火实验,发现HAP-PEO杂化固态聚合物电解质在高温中依然能保持结构热稳定性,降低了高温短路的风险。在拉伸实验中,HAP-PEO杂化固态聚合物电解质比纯PEO固态聚合物电解质的强度提高了7200%,为抑制锂枝晶生长提供了物理保障。通过电化学分析,发现在160 oC时,它具有高离子电导率、宽电压窗口、高离子迁移数,以及稳定的锂对称电池循环性,证明了HAP-PEO杂化固态聚合物电解质在高温下具有优异的电化学性能。3)通过Li Fe PO4/HAP-PEO/Li全电池在160 oC的4 C大倍率循环充放电实验,发现其经过300次循环后,仍保留了77%的放电比容量,库仑效率高达99%,说明在极端高温条件下也能满足实际应用的需求。(2)多功能离子皮肤的制备及性能的研究1)采用原位氧化沉积法,将单宁酸(TA)原位生长在HAP NWs表面,制备了TA包覆的HAP NWs(TA@HAP NWs)。通过将TA@HAP NWs、聚乙烯醇(PVA)、乙二醇(EG)、水(W)和铝离子(Al3+)有机结合,实现了集多用途传感性能,紫外线过滤性,高温保水和低温防冻性能于一体的透明且高离子导电的水凝胶(TA@HAP NWs-PVA(EG/W)),可用于开发多功能离子皮肤。2)通过传感性能测试,发现其对应变、压力和温度的物理量具有高度线性传感响应。特别是在应变传感测试中,它表现出宽应变范围(0~350%)内的高灵敏度(GF=2.84)、高线性度(R~2=0.99003)、快速响应(~50 ms)、低传感迟滞(2.4%)、应变传感可逆性和优异的循环稳定性,这在同研究领域中处于领先水平。3)在力学和抗紫外线测试中,发现TA@HAP NWs作为纳米增强型填料可以提升水凝胶体系的力学性能,并赋予其紫外线屏蔽的能力。利用二元溶剂(EG/W),实现了高温保水性和低温抗冻性。这些都证明该离子皮肤能够在多个领域中进行应用。这些研究有望推动HAP NWs复合材料在高温固态聚合物电解质和多功能离子皮肤领域中的应用,具有重要的科学研究意义和实用价值。
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