基于静电纺丝构筑锂、钠离子电池负极材料及其电化学性能研究

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随着工业化的进步和科学技术的飞速发展,不可再生能源如化石燃料的持续消耗导致严峻的环境污染和能源问题。这些问题迫使人们开发低消耗、无污染且可再生的新型能源,如:风能、太阳能、潮汐能和核能等。新型能源的间歇性对各种储能设备的要求越来越高。其中,锂离子电池具有能量密度高,工作电压高,无记忆效应和环境友好等优点,在便携式电子设备,混合动力汽车,生物医疗以及航空航天等领域都具有广阔的应用前景。然而,由于地壳中锂元素的储量低和开采成本较高,锂离子电池的大规模应用必将导致锂资源的缺乏和价格急剧上涨。相比于锂,钠元素的储量丰富且成本较低,钠离子电池作为一种新型的储能设备吸引了越来越多研究人员的关注。对于锂离子、钠离子电池而言,研究具有高能量密度,高安全性,低成本和柔性结构的负极材料是电池在未来得以发展和应用的关键。静电纺丝技术作为一种可控制备一维纳米材料的方法,其制备的纳米负极材料具有形貌可控且比表面积较大的特点,不仅可以增大电解液和活性物质的接触面积,而且一维结构在电化学反应过程中具有更短的离子和电子的传输路径。本文基于静电纺丝技术,以提高锂离子、钠离子电池负极材料的电化学性能为目的,制备出具有优异循环稳定性和倍率性能的In1-xZnxOy纳米纤维、Sn/NS-CNFs@rGO负极材料。主要的研究内容如下:(1)一维多相In1-xZnxOy纳米纤维的制备及储锂性能研究:利用静电纺丝技术结合退火处理制备了In1-xZnxOy纳米纤维,系统研究了不同的Zn含量对In2O3基体微观结构的影响。纯的In2O3纳米纤维是立方相结构,当引入Zn后则出现立方相In2O3向斜方六面体相In2O3的转变,且斜方六面体相In2O3的比例随着Zn含量的增多而逐渐增大。当In1-xZnxOy纳米纤维作为锂离子电池负极材料时,具有立方相和斜方六面体相混合的In1-xZnxOy纳米纤维的循环性能和倍率性能优于纯的立方相In2O3纳米纤维。其中,性能最优的In0.5Zn0.5O1.25纳米纤维在100 mA g-1的电流密度下循环200圈之后依然能保持704 mA h g-1的高比容量,并且在1 A g-1和2 A g-1的电流密度下循环800圈后依然分别保持440 mA h g-1和358 mA h g-1的高比容量。(2)三维层级结构Sn/NS-CNFs@rGO柔性电极的制备及储钠性能研究:通过将静电纺丝技术和简单的真空抽滤相结合,以一维Sn/NS-CNFs为基础,通过抽滤在其表面包覆上氧化石墨烯,最终碳化处理得到Sn/NS-CNFs@rGO柔性自支撑膜,并用作无粘接剂、无集流体的钠离子电池负极材料。电化学测试表明,得益于独特的三维结构和各组成单元之间的协同效应,Sn/NS-CNFs@rGO柔性电极具有优异的电化学性能,在1 A g-1的电流密度下循环5000圈后依然保持373 mA h g-1的高可逆比容量;在倍率测试中,以10 A g-1的电流密度充放电后仍然具有189 mA h g-1的高比容量。
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