电纺制备锡基纳米纤维及其储钠性能研究

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近年来,石化能源危机不断上演,不仅造成的环境污染令人类困扰,储量日益减少也是当今社会面临的巨大问题。目前,太阳能和风能等可再生资源的发电量受到天气条件和季节变化等因素的影响而具有较大的波动性,且储能系统成本较高。随着电子技术的迅猛发展,人们对电子产品的要求逐渐提高,而传统的镍镉电池以及镍氢电池无法满足大众对节能低耗、小巧轻便电子产品的追求,因此,储能技术的发展迫在眉睫。锂离子电池(LIBs)的开发减轻了人类对不可再生资源的依赖,并且LIBs因其具有安全性、循环寿命长、长久续航、绿色环保、可快速充放电、可折叠等特点被应用到各类电子产品中。而近年来政府对汽车排量的严格控制使各大汽车公司研发出了电动汽车,并且在国家制定的一系列政策下促进了新能源电动汽车的迅速发展。尽管如此,大规模地使用锂资源同样不是长久之计,因此研究人员找到了与LIBs具有相似电化学性能的储能电池:钠离子电池(SIBs)。碳材料是LIBs中较为常见的负极材料,其具有较好的导电性能,膨胀系数小,平台低等特点,但由于Na+直径与Li+直径相比较大,在电池充放电过程中部分碳材料无法充分容纳它最终导致材料体积膨胀结构坍塌等问题,影响电池使用寿命和安全性能,找到合适的SIBs电极材料便成为近年来研究的热点。针对上述问题本文利用了碳材料和过渡金属化合物的各自优势,采用静电纺丝实验方案制备出碳基过渡金属化合物纳米纤维作为SIBs负极材料。通过一系列表征方法对材料的形貌,结构进行表征,探究材料的储钠性能。本文主要进行了以下工作:(1)在论文的第二章节中,根据静电纺丝实验技术,将硒粉直接加入前体溶液中进行电纺,成功制备出了SnSe碳纳米纤维(SnSe@CNFs),并合成了SnSe纳米颗粒封装在CNFs中的一维(1D)结构。而SnSe纳米颗粒被碳层保护,不仅可以提高电子在材料中的转移速率,还可以缓解碳纳米纤维在充放电过程中结构膨胀瓦解,最终导致极片破裂。SnSe@CNFs作为半电池负极时,具有更好的放电容量,在25℃、1 A/g电流密度下,100次循环后放电容量为326 m A/g;在25℃、1 A/g电流密度下,循环900次后,容量长期稳定在249.4 m A/g。不仅如此,在低温(0℃)环境、0.1 A/g电流密度下,100次循环后放电容量仍稳定在267 m A/g。该材料制备工艺简单,污染物排放少,机械性能稳定,速率性能优良,是一种潜在的二次电池负极材料。(2)在论文的第三章节中,同样使用静电纺丝的方法,将硫粉直接加入前体溶液中进行电纺,成功制备出碳包覆SnS纳米颗粒的碳纳米纤维(SnS@CNFs)材料,将其应用到SIBs作为负极时,1 A/g的高电流密度下循环100次后容量维持在非常稳定状态,大约在330 mA/g左右,这一工作可为其他金属硫化物新型电极提供新的思路。
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