基于Zn/Co金属氧化物调控制备的纳米碳纤维储能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:niko_robin
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开发与可穿戴电子设备相匹配的高效柔性储能器件已然成为当今世界的研究热点。其中,设计制备高能量密度、高机械柔性电极是实现柔性储能器件的关键。碳质纺织纤维具有高导电性和固有的柔韧性特性,在高性能柔性电极制备中极具潜力。依据纺织染整中功能纤维的设计思路,本研究以静电纳米碳纤维(CNFs)为对象,以锂离子电池负极应用为切入点,结合Zn/Co过渡金属氧化物的高储锂容量优势和多样碳结构塑造能力,赋予CNFs优异的储能功能。针对CNFs存在的能量密度低和脆而易碎问题,通过功能性纤维的纳米级结构设计,提高CNFs能量密度和改善其机械柔性,使其满足柔性电极使用要求。通过分析Zn/Co过渡金属氧化物调控制备的CNFs组成、结构和储能性能之间的关系,探讨其储能机理。第一章,首先简要介绍了锂离子电池的基本情况,而后介绍了碳质纺织纤维材料的储能应用,其中着重论述了静电纺PAN基纳米碳纤维的研究现状和存在问题,最后简述了Zn/Co过渡金属氧化物在储能应用领域和碳材料加工领域的应用,据此提出了本文的研究意义和研究内容。第二章,从提升CNFs能量密度出发,利用ZnCo2O4高能量密度优势,将CNFs复合化。采用水热法,在CNFs表面生长ZnCo2O4纳米方块,尿素用量1.0mmol时,所制ZCO/CNFs-10复合纤维表面的ZnCo2O4纳米方块尺寸适中,且能均匀包覆CNFs。电化学储能测试结果表明:自支撑ZCO/CNFs-10在0.5C电流密度下循环300圈后,放电容量保持为600mAhg-1;但原始CNFs自身质量大、储锂容量有限,较大程度限制了复合纤维整体能量密度的提高。第三章,从提升CNFs自身比容量出发,利用ZnCo2O4诱导的活化催化石墨化作用,设计石墨化、多孔结构CNFs。将ZnCo2O4纳米颗粒与PAN共混,经纺丝-碳化,制备出具有连续石墨化介孔结构的超疏松多孔纳米碳纤维(SLCNFs)。电化学储能测试结果表明:SLCNFs无需导电助剂,在100mAg-1电流密度下循环100圈后,放电容量保持为900mAhg-1;且在1670mAg-1电流密度下循环2000圈,放电容量仍保持为460mAhg-1。第四章,从改善纳米碳纤维机械柔性出发,借鉴高性能碳纤维制备思路,通过醋酸锌(Zn(Ac)2)促进预氧化过程,改善纳米碳纤维机械柔性,制备出柔弱和刚强两种风格的可折叠纳米碳纤维(FCNFs),揭示出Zn(Ac)2在纺丝、预氧化和碳化过程中的增塑、催化和活化作用,并从宏观纤维组织结构、介观纤维形态和微观碳结构解析了FCNFs的柔性和回复机理。电化学储能测试结果表明:半电池体系,自支撑FCNFs-3/4负极在200mAg-1电流密度下循环100圈后,能保持630mAhg-1的高可逆容量;软包LCO-FCNF全电池在100mAg-1电流密度下首圈可输出572mAhg-1的放电容量,且在对折两次状态下仍能点亮LED。最后,在第五章中,系统总结了本论文的研究结果,指出研究中存在的不足,并提出未来的发展方向和建议。
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