基于Zn-Co金屬氧化物調控制備的納米碳纖維儲能研究.pdf

1、開發(fā)與可穿戴電子設備相匹配的高效柔性儲能器件已然成為當今世界的研究熱點。其中，設計制備高能量密度、高機械柔性電極是實現(xiàn)柔性儲能器件的關鍵。碳質紡織纖維具有高導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。依據紡織染整中功能纖維的設計思路，本研究以靜電納米碳纖維(CNFs)為對象，以鋰離子電池負極應用為切入點，結合Zn/Co過渡金屬氧化物的高儲鋰容量優(yōu)勢和多樣碳結構塑造能力，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構設計，提高CNFs能量密度和改善其機械柔性，使其滿足柔性電極使用要求。通過分析Zn/Co過渡金屬氧化物調控制備的CNFs組成、結構和儲能性能之間的關系，探討其儲能機理。
　　第一章，首先簡要介紹了鋰離子電池的基本情況，而后介紹了碳質紡織纖維材料的儲能應用，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用領域和碳材料加工領域的應用，據

3、此提出了本文的研究意義和研究內容。
　　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。電化學儲能測試結果表明: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自身質量大、儲鋰容量有限，較大程度限制了復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誘導的活化催化石墨化作用，設計石墨化、多孔結構CNFs。將ZnCo2O4納米顆粒與PAN共混，經紡絲-碳化，制備出具有連續(xù)石墨化介孔結構的超疏松多孔納米碳纖維(SLCNFs)。電化學儲能測試結果表明:SLCNFs無需導電助劑，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)促進預氧化過程，改善納米碳纖維機械柔性，制備出柔弱和剛強兩種風格的可折疊納米碳纖維(FCNFs)，揭示出Zn(Ac)2在紡絲、預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構、介觀纖維形態(tài)和微觀碳結構解析了FCNFs的柔性和回復機理。