基于Zn-Co金屬氧化物調(diào)控制備的納米碳纖維儲能研究.pdf

1、開發(fā)與可穿戴電子設(shè)備相匹配的高效柔性儲能器件已然成為當(dāng)今世界的研究熱點。其中，設(shè)計制備高能量密度、高機(jī)械柔性電極是實現(xiàn)柔性儲能器件的關(guān)鍵。碳質(zhì)紡織纖維具有高導(dǎo)電性和固有的柔韌性特性，在高性能柔性電極制備中極具潛力。依據(jù)紡織染整中功能纖維的設(shè)計思路，本研究以靜電納米碳纖維(CNFs)為對象，以鋰離子電池負(fù)極應(yīng)用為切入點，結(jié)合Zn/Co過渡金屬氧化物的高儲鋰容量優(yōu)勢和多樣碳結(jié)構(gòu)塑造能力，賦予CNFs優(yōu)異的儲能功能。針對CNFs存在的能量密度

2、低和脆而易碎問題，通過功能性纖維的納米級結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高CNFs能量密度和改善其機(jī)械柔性，使其滿足柔性電極使用要求。通過分析Zn/Co過渡金屬氧化物調(diào)控制備的CNFs組成、結(jié)構(gòu)和儲能性能之間的關(guān)系，探討其儲能機(jī)理。
　　第一章，首先簡要介紹了鋰離子電池的基本情況，而后介紹了碳質(zhì)紡織纖維材料的儲能應(yīng)用，其中著重論述了靜電紡PAN基納米碳纖維的研究現(xiàn)狀和存在問題，最后簡述了Zn/Co過渡金屬氧化物在儲能應(yīng)用領(lǐng)域和碳材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用，據(jù)

3、此提出了本文的研究意義和研究內(nèi)容。
　　第二章，從提升CNFs能量密度出發(fā)，利用ZnCo2O4高能量密度優(yōu)勢，將CNFs復(fù)合化。采用水熱法，在CNFs表面生長ZnCo2O4納米方塊，尿素用量1.0mmol時，所制ZCO/CNFs-10復(fù)合纖維表面的ZnCo2O4納米方塊尺寸適中，且能均勻包覆CNFs。電化學(xué)儲能測試結(jié)果表明:自支撐ZCO/CNFs-10在0.5C電流密度下循環(huán)300圈后，放電容量保持為600mAhg-1;但原始CN

4、Fs自身質(zhì)量大、儲鋰容量有限，較大程度限制了復(fù)合纖維整體能量密度的提高。
　　第三章，從提升CNFs自身比容量出發(fā)，利用ZnCo2O4誘導(dǎo)的活化催化石墨化作用，設(shè)計石墨化、多孔結(jié)構(gòu)CNFs。將ZnCo2O4納米顆粒與PAN共混，經(jīng)紡絲-碳化，制備出具有連續(xù)石墨化介孔結(jié)構(gòu)的超疏松多孔納米碳纖維(SLCNFs)。電化學(xué)儲能測試結(jié)果表明:SLCNFs無需導(dǎo)電助劑，在100mAg-1電流密度下循環(huán)100圈后，放電容量保持為900mAhg-

5、1;且在1670mAg-1電流密度下循環(huán)2000圈，放電容量仍保持為460mAhg-1。
　　第四章，從改善納米碳纖維機(jī)械柔性出發(fā)，借鑒高性能碳纖維制備思路，通過醋酸鋅(Zn(Ac)2)促進(jìn)預(yù)氧化過程，改善納米碳纖維機(jī)械柔性，制備出柔弱和剛強(qiáng)兩種風(fēng)格的可折疊納米碳纖維(FCNFs)，揭示出Zn(Ac)2在紡絲、預(yù)氧化和碳化過程中的增塑、催化和活化作用，并從宏觀纖維組織結(jié)構(gòu)、介觀纖維形態(tài)和微觀碳結(jié)構(gòu)解析了FCNFs的柔性和回復(fù)機(jī)理。