碳基儲能電極材料及器件的層次化構(gòu)建.pdf

1、隨著可穿戴設(shè)備以及柔性電子器件的發(fā)展，開發(fā)兼具高能量密度和高功率密度以及柔性特征的鋰離子電池越來越引起學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。設(shè)計和制備具有良好柔韌性、短的離子電子傳輸路徑和高質(zhì)量比容量的電極材料并在此基礎(chǔ)上開發(fā)和組裝原型柔性器件是目前本領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和重點(diǎn)。本論文基于靜電紡絲技術(shù)，通過對材料在微納米尺度上的可控組裝實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)和組成的層次化，設(shè)計制備了一系列自支撐的高性能鋰離子電池正負(fù)極材料，并組裝得到了性能優(yōu)良的柔性鋰離子電池器件

2、，主要研究成果如下：
　　1）設(shè)計并成功制備了一種新型的柔性導(dǎo)電納米電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合靜電紡絲和化學(xué)氣相沉積方法，制備了一種石墨化碳卷曲形成管而活性物質(zhì)均勻分散在管中的納米電纜結(jié)構(gòu)。通過在前驅(qū)體中加入不同鹽溶液，即可制備出石墨化碳包覆不同活性物質(zhì)的納米電纜復(fù)合材料。利用該普適性方法，我們成功制備了石墨化碳包覆納米分散的錫硅氧化物的自支撐薄膜。該材料作為鋰離子電池負(fù)極時，表現(xiàn)出高的可逆比容量（1164mAh g-1）以及優(yōu)異的循

3、環(huán)性能，在0.1A g-1的電流密度下循環(huán)200圈，容量保持率接近100％。
　　2）在納米電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)活性材料的維度調(diào)控和復(fù)合界面接觸方式調(diào)控。通過氫氟酸刻蝕和化學(xué)熱處理方法，實(shí)現(xiàn)了零維納米顆粒向二維納米片的轉(zhuǎn)變；并進(jìn)一步通過氧化硅的限制作用，優(yōu)化了二維納米材料的生長取向，構(gòu)建了石墨化碳卷曲形成的管壁與薄層二硫化鉬納米片之間“邊”對“面”的接觸方式，從界面接觸方式角度構(gòu)建了更高效的電子、離子傳輸網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計制備的

4、MoS2@G在5A g-1的電流密度下循環(huán)700圈仍然具有900mAh g-1的容量。
　　3）實(shí)現(xiàn)基于納米電纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性鋰電正極材料制備及柔性全電池組裝。設(shè)計制備了五氧化二釩負(fù)載于石墨化碳納米管內(nèi)的納米電纜復(fù)合材料。該材料作為鋰離子柔性正極材料時展現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的儲鋰行為，在15.2kW kg-1的功率密度下具有360Wh kg-1的能量密度。基于該材料設(shè)計組裝的原型柔性鋰離子電池展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和耐彎折性能，在20C

5、的電流密度下比容量可達(dá)80mAh g-1，并在彎折兩百次后仍可以保持穩(wěn)定在3V的開路電壓。
　　4）提出了一種基于有機(jī)小分子的富氮多孔碳納米纖維自支撐薄膜的制備方法。通過結(jié)合靜電紡絲和低溫聚合工藝，設(shè)計制備的富氮多孔碳納米纖維不僅具有極高水平的氮摻雜含量，有大量的電化學(xué)活性位點(diǎn)，還具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，利于離子的快速擴(kuò)散，應(yīng)用于超級電容器時展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)能性能。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計組裝了兼具高功率密度和高能量密度的（鋰離子電容器）雜化