具有一维多层复合结构的高性能材料的结构与性能研究

发布时间：2022-01-15 08:56

　　纳米材料因其较大的比表面积、较小的尺寸、较短的离子和电子的输运长度而被认为是增强电极材料电化学活性的候选材料^[14]。并且具有一维多层复合结构的纳米材料也可以为电子传输和离子扩散提供快速通道;其次,具有多孔或空心结构的一维纳米材料通过活性材料与电解质之间的充分接触面积提供了更多的活性位点;最后,活性材料很容易负载到一维多层复合结构的纳米材料上,从而制备出性能更好的活性电极。静电纺丝法以其灵活、简单优越的加工技术、用途广泛、适应性强等优势在纳米技术领域得到了广泛的关注。通过静电纺丝的方法可以制备出高比表面积,孔隙率高纳米尺寸可控的聚合纤维,并且由静电纺丝制备出的多孔纤维具有优异的物理力学性能、优异的结构和优异的导电性,可以增强锂离子和电子的传递,使整个电池系统具有非凡的电化学性能。静电纺丝之所以具有如此大的吸引力,主要是由于静电纺丝所合成的纳米纤维的直径易于控制、纤维的连续性好,并且通过静电纺丝法可以合成具有一维多层复合结构的纳米纤维。以PAN/PS为原料通过静电纺丝法制备的前驱体经高温烧结而制备出的具有多孔状结构的一维碳纳米纤维,碳纤维表面凹凸不平,出现长条凹陷,... 

【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

泰勒锥[16]

5图1-2单轴静电纺丝装置示意图Figure1-2Schematicdiagramofuniaxialelectrostaticspinningdevice单轴静电纺丝法制备纳米纤维的工艺与传统方法不同。在静电纺丝中，分散的纤维在电荷的作用下自组装，而电荷的作用主要取决于机械力和几何条件[25]。数百种聚合物被用于静电纺丝生产纳米纤维，如壳聚糖、纤维素、聚丙烯氰、胶原蛋白、聚酯、聚氨酯等[26,27]。但是需要注意的是，并不是所有的聚合物都可以进行静电纺丝。一种聚合物能进行静电纺丝不仅取决于自身，还取决于某些因素，如粘度、导电性、分子量和所用溶剂的种类。溶剂中聚合物的用量决定了它能否被电纺成纳米纤维，并且用量还对纤维的形态也起着至关重要的作用[28]。溶剂含量与纤维直径及其均匀性成正比。此外，聚合物的离子性质也会影响溶液浓度，从而直接影响自旋能力和纤维形态[29]。在纺丝过程中的影响因素包括纺丝过程的流速、外加电压、针头到接收器的距离，影响静电纺丝的环境参数包括室内温度和湿度。1.4同轴静电纺丝2003年出现了第一个同轴静电纺丝的报道[30]，功地制备了四种类型的核-壳纳米纤维成，包含不同材料在内的化合物，如，聚十二烷基噻吩（PDT）/聚环氧乙烷（PEO），聚砜（PSU）/PEO，钯（Pd）/聚乳酸（PLA），以及偶对相同的材料（如PEO/PEO）[31]。从那以后，同轴静电纺丝以其简单的装置、便捷的操作、灵活的设计越来越受到不同领域研究者的关注。

6图1-3同轴针头Figure1-3Concentricneedle同轴电纺是对传统静电纺丝技术的一种延伸和改进，与传统的单轴静电纺丝不同，它使用的是一种特殊的喷嘴或针头，我们通常称为同轴针头（如图1-3所示），同轴针头由两个同心排列的喷嘴组成。将两个不同的溶液（我们称为核芯液和壳层液）分别装入两个注射器中，将核芯液装入连接双喷嘴内通道的注射器，将壳液装入连接外通道的注射器。两个推注将用于推动这两个不同的注射器，当高压连接到同轴针头和接收装置时（如图1-4[32]所示），液滴会被电场拉起并变形为溶液射流，当喷丝板（正极）和集电极（负极）之间施加临界电场强度时，表面的静电力足以克服使液滴凝聚在一起的表面张力，当核芯溶液和核壳溶液在同轴针出口端相遇时，在外加电场作用下，壳体流体将围绕核芯液形成复合泰勒锥，这就导致壳层的溶液包覆着核芯的溶液从同轴针头中喷出。流体射流继续稳定地喷射并延长，针尖上形成的液滴被收集器吸引，在此过程中，溶剂迅速蒸发，导致干燥的聚合纤维沉积在收集器上。经过长时间的放置后，最后就得到了干燥的具有不同组成的壳芯纳米纤维。然后通过调节不同的烧结温度，可以得到具有多层复合结构的一维纳米纤维，具有多孔或空心结构的一维纳米材料可以为活性材料提供更多的位点，使得电极具有更好的电化学性能。

【参考文献】：
期刊论文
[1]静电纺丝技术的影响因素及应用研究综述[J]. 邹爽,赵金松,陈驰.  河南科技. 2019(05)
[2]高性能锂硫电池研究进展[J]. 刘帅,姚路,章琴,李路路,胡南滔,魏良明,魏浩.  物理化学学报. 2017(12)



本文编号：3590319