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首页 > 学术中心 > 行业资讯 > 北京化工大学周继升教授:电纺交联结构碳纳米纤维膜用于钠离子电池负极
 

北京化工大学周继升教授:电纺交联结构碳纳米纤维膜用于钠离子电池负极

 
发布日期:2018-08-23
 

近些年来,随着可穿戴电子设备等柔性电子器件的兴起,对于高功率和高能量密度的柔性储能设备的发展起到了促进的作用。同时柔性钠离子电池也同时搜到了人们的关注。由此,设计具有柔性的高性能硬碳负极材料,对于柔性钠离子电池的发展十分有研究意义。利用静电纺丝技术可以简单、快速制备柔性纳米纤维薄膜,其在储能领域展现了极大的应用前景。在静电纺丝得到的柔性碳纳米纤维薄膜之中,纤维之间的连接方式往往是一种简单的物理接触。在充放电过程中,这种物理接触方式会造成高的接触电阻和降低电子转移速率,从而会限制碳纳米纤维薄膜的循环稳定性和倍率性能。

北京化工大学周继升教授课题组在国际著名期刊J. Mater. Chem. A上发表题目为“Electrospun cross-linked carbon nanofiber films as free-standing and binder-free anodes with superior rate performance and long-term cycling stability for sodium ion storage”的文章。论文第一作者为硕士生郭旭。研究人员选用硝酸铜(Cu(NO3)2)作为交联剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为纺丝前驱体。通过静电纺丝和随后的碳化处理,一步得到了具有交联结构的柔性碳纳米纤维薄膜。这是首次利用硝酸铜作为纤维之间的交联剂,同时也是首次为钠离子电池开发具有交联结构的碳纳米纤维薄膜作为负极材料,并且这种薄膜展现出良好的倍率性能和稳定的循环性能。这种碳纳米纤维薄膜作为一种不添加粘结剂和导电剂的电极材料,在柔性储能设备之中展现了巨大的应用潜力。


图1 碳纳米纤维制备过程图。


图2 碳纳米纤维的SEM图片。


图3 碳纳米纤维的TEM和HRTEM图片。

在SEM电镜图中,可以清楚看到纤维之间出现了很多“Y型”交联结构(红色圆圈),这些交联点并不是有纤维之间的搭接形成的,而是一个整体结构,说明确实形成了交联结构。而在TEM图片中,也可以证实这一观点。


图4 PVP-NFs和Cu-PVP-NFs-0.5的FT-IR谱图以及XPS N1s (b)和O1s (c) 谱图。

研究者通过借助FT-IR以及XPS进行表征,发现PVP溶液中含有Cu(NO3)2的O1s峰发生了偏移,证明PVP中的C=O与Cu(NO3)2发生了络合反应。在纺丝前驱液中,一个Cu(NO3)2分子可以同时和很多PVP分子链发生络合反应。在静电纺丝的过程中,Cu络合PVP分子链的地方结合力很强。受到电场力的作用,络合点也不会形变分开,因此形成了交联结构。


图5碳纳米纤维的电化学性能。

研究者们将具有交联结构的碳纳米纤维经过裁剪后,直接组装成钠离子,进行电化学测试。相比于不具有交联结构碳纳米纤维薄膜,具有交联结构的碳纳米纤维薄膜在每一个电流密度下都展示出更优越的比容量。此外,具有交联结构的碳纳米纤维薄膜在大电流密度下循环500次也能够保持良好的稳定性。交流阻抗测试特表明纤维之间的交联结构显著改进了电子传输能力,增强了电极材料的导电性。

论文链接:https://doi.org/10.1039/C7TA05621D

 
 
 

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