静电纺丝制备碳纳米纤维用于高性能能量存储器件文献综述
2020-03-10 17:44:09
文 献 综 述
1.引言
高性能能量储存器件，如锂离子电池（LIBs）和超级电容器，目前正受到人们的广泛关注。锂离子电池能量密度高，循环性能好，体积小，没有记忆效应而且安全无污染，是目前最具竞争力的个人电子设备储能工具[1,2]。同时，随着煤、石油、天然气等能源的日益衰竭及对环境污染越来越严重，具有高能量密度，可以快速充放电，循环效率优良的超级电容器有望成为化石能源的良好替代品。锂离子电池和超级电容器作为储能设备，其比容量，倍率性能和循环寿命等性能与它们所采用的电极材料、结构与形貌密切相关。但是，碳基材料在作为锂离子电池和超级电容器的电极材料时，仍然存在许多问题，如相比其它材料比容量较低(372 mA h g-1)，安全性能，循环性能还不理想等等[3-6]。因此，如何制备高性能锂离子电池和超级电容器的电极材料成为目前研究的热点之一。
纳米化技术通过减小材料的尺寸，大大缩短了锂离子和电子的迁移距离并且能够有效的在锂离子嵌入和脱嵌过程中减低材料内部产生的应力，稳定其电极结构，能够很好地改善电极材料性能，是目前最为重要的制备高性能锂离子电池及超级电容器电极的途径之一[7-9]。在纳米化技术中，静电纺丝（electrosp -inning）作为得到微纳米纤维最重要的一种方法[10,11]，在构筑一维纳米结构材料领域中已起到了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备了材料多样性以及结构多样性的一维纳米结构材料。静电纺丝技术用于研发功能化电极材料上的广阔前景已经引起了研究者的高度重视。
2.静电纺丝技术及其应用
2.1静电纺丝技术
静电纺丝是指通过对聚合物溶液（或熔体）施加外加电场来制造聚合物纤维的纺丝技术。使用静电纺丝方法制备得到的纤维直径可达到纳米级，相比于采用常规方法制备得到的纤维直径小几个数量级，而且具有比表面积大、孔隙率高、直径小、长径比大等优点[12]。理论上，几乎所有可以溶解于一定溶剂中并形成稳定溶液体系或者能够熔融形成熔体的聚合物都可以采用静电纺丝技术制备具有亚微米、纳米尺寸的纤维材料。由于静电纺纤维独特的性能和结构特点，使其在电化学材料，过滤材料、生物医用功能材料、服装材料和隔膜材料等方面有着显著的应用优势。下图1为静电纺丝基本装置示意图。
|
图1. 实验室静电纺丝设备的示意图 |
2.2静电纺丝技术的应用
静电纺丝法目前是得到微纳米纤维最重要的基本方法之一。这一技术的核心是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，得到纤维状物质。电纺纤维最主要的特点是所得纤维的直径很细，由这些纤维形成的无纺布是一种有微纳米孔的多孔材料，因此有很大的比表面积，具有广阔的应用前景。
迄今为止，应用静电纺丝技术已经合成了多种一维纳米材料。在电纺丝法发展初期，静电纺丝技术主要用于制备高分子纳米纤维，已经有100多种天然和合成的高分子材料通过静电纺丝法构筑成一维纳米结构。
近年来，一些研究者已将静电纺丝技术应用于制备无机纳米纤维，将功能性的无机物与具有机械性能的有机高分子复合制备多功能的复合纳米纤维，例如将有催化性能的贵金属离子与高分子复合制备的PAN-co-PAA/Pd，PEO/Au，PVP/Ag[13],将CNTs与高分子PAN,PEO,PU[14]的复合以及将功能性的金属氧化物如TiO2，ZnO[15,16]与高分子复合更是使复合纳米纤维具有广阔的应用前景。将静电纺丝技术与其他技术相结合，例如与溶胶-凝胶、热处理等技术相结合，制备了纯无机材料与无机/无机复合纳米纤维材料，例如ZnS,TiO2/SiO2,SiO2/ZrO2,TiO2/SnO2等[17-20]。
综上所述，静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料方面是一种简单而实用的技术。近年来，科研人员利用这项技术合成了多种功能性复合材料，这些材料被广泛应用于诸多领域中，如纳电子器件和光学器件、化学和生物传感器、超疏水表面、环境、能源、生物医药以及催化等领域。
3.本论文的研究目的与意义
本论文采用PVP作为造孔剂，PAN为碳源，使用静电纺丝技术制备高比表面积、纳米级的多孔碳纤维。采用XRD，BET和SEM等表征手段对其结构、孔径与形貌进行表征分析，并将制备得到的碳纤维膜片作为电极材料，采用恒流充放电测试，循环伏安测试（CV）与交流阻抗分析测定了其作为高性能储能器件的电化学性能。采用静电纺丝制备方法操作简单，可连续生产，另外经过煅烧后得到的无纺薄膜可弯曲，且可以直接作为电极而不需要额外的导电剂或者粘结剂。纺丝制备的电极由于轻便、可弯曲、质量容量密度高等优点使得其在个人电子器件产品中具有很好的应用前景。
4.参考文献
[1] J. M. Tarascon, M. Armand, Nature 414 (2001) 359.
[2] P. Poizot, S. Laruelle, S. Grugeon, et al. Nature 407 (2000) 496.
[3] A. K. Shukla, T. P. Kumar, Curr. Sci. 94 (2008) 314.
[4] M. Winter, J. O. Besenhard, M. E. Spahr, et al. Adv. Mater. 10 (1998) 725.
[5] E. frackowiak, F. Beguin. Carbon 39 (2001) 937.
[6] D. Qu, H. Shi, J. Power Sources 109 (2002) 403.
[7] A. S. Arico, P. Bruce, B. Scrosati, et al. Nat. Mater. 4 (2005) 366.
[8] P. G. Bruce, B. Scrosati, J. M. Tarascon, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008) 2930.
[9] Y. S. Hu, L. Kienle, Y. G. Guo, et al. Adv. Mater. 18 (2006) 1421.
[10] X. F. Lu, C. Wang, Y. Wei. Small 5 (2009) 2349.
[11] A. Greiner, J. H. Wendorff. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (2007) 5670.
[12] 高昆. 电源技术研究与设计 11 (2010) 1117.
[13] M. M. Demir, M. A. Gulgun, Y. Z. Menceloglu, et al. Macromolecules 37 (2004) 1787.
[14] F. Ko, Y. Gogotsi, Alia, et al. Adv. Mater. 15 (2003) 1161.
[15] D. Li, Y. N. Xia, Nano Lett. 3 (2003) 555.
[16] X. H. Yang, C. L. Shao, H. Y. Guan, et al. Inorg. Chem. Commun. 7 (2004) 176.
[17] D. Lin, H. Wu, R. Zhang, et al. J. Am. Ceram. Soc. 90 (2007) 3664.
[18] B. Ding, H. Kim, C. Kim, et al. Nanotechnology 14 (2003) 532.
[19] J. B. Ko, S. W. Lee, D. E. Kim, et al. J. Porous Mater. 13(2006) 325.
[20] C. H. Wang, C. L. Shao, X. T. Zhang, et al. Inorg. Chem. 48 (2009) 7261.
文 献 综 述
1.引言
高性能能量储存器件，如锂离子电池（LIBs）和超级电容器，目前正受到人们的广泛关注。锂离子电池能量密度高，循环性能好，体积小，没有记忆效应而且安全无污染，是目前最具竞争力的个人电子设备储能工具[1,2]。同时，随着煤、石油、天然气等能源的日益衰竭及对环境污染越来越严重，具有高能量密度，可以快速充放电，循环效率优良的超级电容器有望成为化石能源的良好替代品。锂离子电池和超级电容器作为储能设备，其比容量，倍率性能和循环寿命等性能与它们所采用的电极材料、结构与形貌密切相关。但是，碳基材料在作为锂离子电池和超级电容器的电极材料时，仍然存在许多问题，如相比其它材料比容量较低(372 mA h g-1)，安全性能，循环性能还不理想等等[3-6]。因此，如何制备高性能锂离子电池和超级电容器的电极材料成为目前研究的热点之一。
纳米化技术通过减小材料的尺寸，大大缩短了锂离子和电子的迁移距离并且能够有效的在锂离子嵌入和脱嵌过程中减低材料内部产生的应力，稳定其电极结构，能够很好地改善电极材料性能，是目前最为重要的制备高性能锂离子电池及超级电容器电极的途径之一[7-9]。在纳米化技术中，静电纺丝（electrosp -inning）作为得到微纳米纤维最重要的一种方法[10,11]，在构筑一维纳米结构材料领域中已起到了非常重要的作用，应用静电纺丝技术已经成功的制备了材料多样性以及结构多样性的一维纳米结构材料。静电纺丝技术用于研发功能化电极材料上的广阔前景已经引起了研究者的高度重视。
2.静电纺丝技术及其应用
2.1静电纺丝技术
静电纺丝是指通过对聚合物溶液（或熔体）施加外加电场来制造聚合物纤维的纺丝技术。使用静电纺丝方法制备得到的纤维直径可达到纳米级，相比于采用常规方法制备得到的纤维直径小几个数量级，而且具有比表面积大、孔隙率高、直径小、长径比大等优点[12]。理论上，几乎所有可以溶解于一定溶剂中并形成稳定溶液体系或者能够熔融形成熔体的聚合物都可以采用静电纺丝技术制备具有亚微米、纳米尺寸的纤维材料。由于静电纺纤维独特的性能和结构特点，使其在电化学材料，过滤材料、生物医用功能材料、服装材料和隔膜材料等方面有着显著的应用优势。下图1为静电纺丝基本装置示意图。
