锡基杂化碳纳米纤维的制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-09-03 15:57

　　传统的碳材料电极由于储存容量较小,越来越不能满足人们的需求。无机物杂化碳纳米纤维兼具有无机物和碳纳米纤维两种特性,受到研究学者们广泛关注。其中,金属锡单质和二氧化锡均具有电导率高、理论电容量大、化学性质稳定、耐酸碱性能佳等优点。本论文将含锡化合物添加进纺丝液中,通过气流纺丝工艺制得直径为40 cm蓬松柔软的纳米纤维毡,随后在惰性气氛下经高温煅烧法制成锡基杂化碳纳米纤维。该纤维具有不可剥离的双层复合结构,其中上层为锡基纳米结构,下层为含有少量锡基纳米颗粒的杂化碳纤维。上层纳米结构随着保温时间的延长,依次可得到纳米颗粒、纳米线以及纳米柱。由于整个高温煅烧过程中并未额外添加金属催化剂或是通入还原性气氛,纳米线是通过自催化生长得到,遵循VLS生长机制。该纤维作为电极材料电容性能优异。当电流密度为0.5 Ag-1时,放电容量可达403.6 Fg-1;即使在10 A g-1的大电流密度下,放电容量仍保留162.5 F g-1。当扫描速率为10 mV s-1时,放电容量为358.9 Fg 1。保温3h的纤维电荷转移电阻仅为1.3 Ω;以1 A g-1的电流密度进行3000圈连续充放电,电容保持率为92.5%。锡基杂化碳纳米纤维上层纳米结构是通过锡源外溢形成的。虽然锡基纳米结构和底部杂化纤维间存在协同作用,但是锡源的外溢不可避免地对底部杂化纤维的结构造成破坏。而硅源的添加可有效解决锡源外溢以及在纤维内部团聚的问题。硅源只是起到了物理隔离的作用,锡源与硅源间并未发生化学反应。和锡基杂化碳纳米纤维相比,锡、硅混合基杂化碳纳米纤维的放电容量和循环稳定性均有所提高。当电流密度为0.5 A g-1时,放电容量可达419 Fg-1;即使在10 Ag-的大电流密度下,放电容量仍可保留198.6 Fg 1。以1 A g-1的电流密度进行3000圈连续充放电,电容保持率为95.1%。锡基及锡、硅混合基杂化碳纳米纤维电容性能优异,可实现在电容器电极材料领域的大规模应用,或将进一步拓展到锂离子电池、锂硫电池等其他储能器件的电极材料领域。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ342.742
【部分图文】：

超级电容器,工作原理图,电容

逦离子解析逡逑0阴离子双层电气逡逑图１－２双电层超级电容器工作原理图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．逡逑（２）法拉第赝电容储能机制逡逑和双电层电容的储能机制不同，赝电容器在充放电过程中发生了穿越双层的逡逑电子迁移，致使电活性材料发生化学反应。其基本原理［１Ｍ９］为：电活性材料在电逡逑极表面发生欠电位沉积或在电极表面及内部发生可逆的氧化还原反应（即法拉第逡逑反应），从而产生穿越双层的电荷迁移，最终产生吸附电容。由于法拉第反应不逡逑止发生在电极表面，在电极内部也存在，因此赝电容电容器具有比双电层电容器逡逑更高的放电容量和能量密度。在相同电极面积的条件下，赝电容电容量是双电层逡逑电容量的１０倍至１００倍。尽管氧化还原反应是动力学高度可逆的，但是化学反逡逑应和离子的吸附－解吸依然会不可避免地造成电极内部结构的变化，导致电极使逡逑用寿命降低。逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋丨邋Ｓｅｐａｒａｔｏｒ逡逑■玛：《：逡逑＿逡逑Ｍｅｔａｌ

超级电容器

扫描电镜图,纳米,微观,机理

成为了学者们研宄热点。Ｗａｎｇ等人［２９］采用静电纺丝和高温煅烧法制备逡逑得到空心多孔二氧化锡纳米管，其在１８０邋ｍＡ逦的电流密度下进行５０圈连续充逡逑放电，剩余电容量仍高达８０７邋ｍＡｈ邋ｇ＿ｌ。这主要是由于多孔结构为充放电过程中逡逑可能产生的电极结构的变化提供了缓冲空位，同时空心多孔结构能够和电解液充逡逑分接触，电极材料表面可以堆积更多的电荷或者提供更多的反应活化点。Ｒｅｎ等逡逑人［３Ｇ］通过水热反应和自组装制备得到三维的中空Ｓｎ０２微球，并进行恒流充放电逡逑测试，在１邋Ａｇ—１电流密度下，不同前驱体ＳｎＣｌ２＊２Ｈ２０、ＳｎＳ０４、ＳｎＣｌ４＊５Ｈ２０测逡逑得的比容量依次为３９５邋Ｆｇ＇邋３４７邋Ｆｇ—１和６６３邋Ｆｇ＿１。最近，学者们进一步优化电逡逑极结构，设计并制备出分层多级结构，具有该结构的电极材料放电容量和循环稳逡逑定性更佳。Ｌｉｕ等人［３｜］利用水热合成法制备得到具有分层多级结构的二氧化锡纳逡逑米花，如图１－６所示，其电荷转移电阻仅为０．３２邋Ｑ。采用循环伏安法在电流密度逡逑为ｌＡｇ＿１条件下，Ｓｎ０２纳米花的比容量可达１８７．７Ｆｇ＿ｌ：经过２０００圈循环后，逡逑电容量仅损失约１０％。逡逑

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