高性能柔性电极的制备及其性能研究

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随着便携式电子产品需求的日益增长,未来这些电子产品将朝着柔性化、轻量化方向发展。发展柔性电子技术的重要方向之一是发展与其相适应的柔性储能装置。一般的锂/钠离子电池中的电极材料包括活性材料、粘结剂和导电添加剂。但这样制备的电池电极在发生机械形变时容易从集流体上剥落。因此,用于一般储能器件电极材料的制备方法显然不能用来制备柔韧性、导电性、高容量和循环稳定性良好的柔性电池电极。基于此,本论文的研究目的拟设计高导电性、高机械性强度柔性骨架,开发柔性电极并研究提高锂/钠离子电池容量的工艺及其方法。具体内容如下:(1)采用改进的气相聚合(VPP)和预氧化方法,以可扩展、可再生硬碳纸作为基底,制备具有镶嵌式结构的柔性电极材料NC@HCP。预氧化操作增强了材料的结构稳定性,氮掺杂为钠离子吸附提供了更多的活性位点,从而延长了电极材料的循环寿命并提高了电池容量。电化学测试显示,在0.1 A g-1时,NC@HCP电极首圈库伦效率为72.4%,100次循环后的电池可逆容量为224.4 m Ah g-1,每圈容量衰减率为0.12%。循环伏安测试证明了NC@HCP柔性材料的循环可逆性较好,以及较小的电荷转移阻抗证明了其导电性良好。(2)采用改进的气相聚合(VPP)方法,将细菌纤维素(BC)作为基底,与聚吡咯结合制备了具有共轴包覆结构的柔性电极材料NC@CBC-X(X为氧化剂浓度)。BC骨架提供了离子传输通道,氮掺杂的碳纳米颗粒提供了钠离子吸附位点,两者协同作用提高了电极材料的储钠能力。测试结果表明NC@CBC-10材料具有较好的电化学性能。NC@CBC-10材料在0.1 A g-1时,100次循环之后的可逆比容量为259.3 m Ah g-1,首次库伦效率为82.9%,与首次充电容量相比,容量保持率为81%。各项表征证明NC@CBC-10材料具有较高的容量和循环稳定性。(3)采用原位聚合的方法制备柔性复合材料NC@CBC-r GO。BC作为基底,聚吡咯作为氮源,石墨烯(r GO)作为导电剂,在高温碳化之后得到NC@CBC-r GO柔性复合材料。BC骨架提供了离子传输通道,掺氮碳纳米颗粒和石墨烯均匀分散保证材料的结构稳定性并增强了材料导电性。充放电测试结果显示,NC@CBC-r GO柔性复合材料在0.1 A g-1时循环90次后的可逆容量为543.2m Ah g-1,其每圈容量衰减率为0.28%。结果表明NC@CBC-r GO的多维结构可以提高柔性电极材料的电化学性能和机械性能。
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