负载硫化铜的功能化纳米纤维膜的设计制备与性能研究

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锂金属具有极高的理论比容量(3860 m Ah g-1)与低的电化学电位(-3.04 V),被认为是极具前景的高能量密度电池负极材料。然而,在锂沉积/剥离过程中的锂枝晶生长会导致锂金属电池的安全性差、库伦效率低以及使用寿命短等问题。抑制锂枝晶是提升锂金属电池安全性的关键。此外,相变材料(PCMs)由于具有较大的潜热存储特性被公认为储热系统的理想介质。但是,有机固液PCMs易泄漏、热响应慢且能量转换效率低,限制了其在热能转换与存储领域的应用。硫化铜(CuS)作为一种重要的半导体材料,被广泛应用于储能领域。针对锂枝晶生长及PCMs泄漏与热响应慢的问题,本论文围绕CuS的导电性与吸波性,从两类新型的负载CuS的功能化纳米纤维膜角度出发,开展了以下的研究内容:(1)采用气流辅助静电纺丝技术结合液相法,制备了单侧负载导电CuS纳米颗粒的功能化纳米纤维隔膜(即PAN’PAN@CuS隔膜)。实现了CuS纳米颗粒的定向均匀生长,可控制备出PAN@CuS纳米纤维膜。研究发现,该导电功能层的电子电导率高达1.05 S cm-1,且PAN’PAN@CuS隔膜具有优异的电解液润湿性和高离子电导率(1.1 m S cm-1)。基于PAN’PAN@CuS隔膜,显著提升了Li||Li对称电池、Li||Cu电池以及Li||Li Fe PO4全电池的循环稳定性。通过进一步分析功能化隔膜对锂沉积行为的影响规律,初步揭示了PAN’PAN@CuS隔膜抑制锂枝晶的作用机理。(2)采用同轴静电纺丝法结合连续离子层吸附与反应自组装(SILAR)技术,可控制备了PW(石蜡)@PAN@CuS功能化纳米纤维膜。证实了PW@PAN纳米纤维独特的同轴结构为PW的纳米化封装提供了保障。进一步通过控制SILAR循环次数,于室温条件下在PW@PAN纳米纤维膜表面定向组装了CuS纳米颗粒包覆层。研究发现,所制备的PW@PAN@CuS纳米纤维膜具备良好的热能存储特性,相变潜热为65.6 J g-1。在10 W的微波条件下,5 s内可实现60°C的温升,并通过PW将热能以潜热的形式存储,呈现出快速的热能转换与存储特性。
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