自支撑氮掺杂碳纳米纤维复合毡的制备与储钠性能研究

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锂离子电池的大范围使用会使储量较低的锂资源面临严重的资源短缺危机,因此研究者正在积极寻求锂离子电池的替代品。钠离子电池与锂离子电池有相似的工作机理,且钠资源更丰富,因此钠离子电池成为研究的热点。但Na+更大的半径使得钠离子电池的电化学动力学缓慢,因此提高材料的电化学动力学性能对于钠离子电池的发展至关重要。氮掺杂碳纳米纤维是一种被广泛研究的钠离子电池负极材料,本文以静电纺丝聚丙烯腈(PAN)及碳化处理得到的PAN基-氮掺杂碳纳米纤维为研究对象,通过将其与其它硬碳材料复合来提高其电化学动力学性能,进而提高其储钠能力。主要分为两部分内容:(1)多孔碳是一种孔结构丰富、热稳定性好的材料。其多孔的结构能够减小Na+在材料中扩散的阻力,有利于提高材料的储钠性能。因此第一部分,我们将PAN基-氮掺杂碳纳米纤维与多孔碳复合,通过提高Na+的扩散速率使复合纤维发挥出更好的储钠性能。实验中我们通过原位合成与静电纺丝混纺技术将PAN纳米纤维(PAN-NFs-1)与多孔的Zn-MOF-74成功复合。碳化过程中,PAN-NFs-1转变为氮掺杂碳纳米纤维,Zn-MOF-74在纤维骨架中分解为多孔碳,从而得到PAN基-氮掺杂碳纳米纤维与多孔碳的复合碳纤维毡(PN-CNFs-T)。电化学测试结果表明多孔碳的复合提高了Na+在电化学过程中的扩散速率,提升了PAN基-氮掺杂碳纳米纤维的储钠容量。最优碳化温度下得到的复合纤维(PN-CNFs-700)在0.05A g-1电流密度下具有约210mA h g-1的可逆容量,5A g-1电流密度下仍有约135 mA h g-1的可逆容量;在0.2 A g-1的电流密度下循环600圈后仍有170.5 mA h g-1的可逆容量,具有良好的倍率与循环性能。(2)多孔碳的复合虽然能够提高Na+的扩散速率,但也在一定程度上降低了材料的导电性,因此第二部分我们采用提高导电性的方法来增强PAN基-氮掺杂碳纳米纤维的储钠性能。石墨烯是一种常见的二维碳材料,具有优良的导电性,能够实现电子的快速传输。因此,实验采用静电纺丝混纺技术将PAN纳米纤维(PAN-NFs-2)与氧化石墨烯(GO)复合得到了GO/PAN-NFs-2复合纤维,将GO/PAN-NFs-2碳化后得到了rGO与氮掺杂碳纳米纤维的复合纤维(rGO-NCNFs-10)。电化学测试结果表明:rGO的复合提高了PAN基-氮掺杂碳纳米纤维的导电性,使rGO-NCNFs-10发挥出了更好的储钠性能。0.05A g-1电流密度下,rGO-NCNFs-10具有约300 mA h g-1的可逆容量;1 A g-1电流密度下具有约205 mA h g-1的可逆容量;1A g-1电流密度下循环1000圈后,rGO-NCNFs-10的容量保持率仍有80.4%。
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