高性能柔性电极制备及其电化学性能研究

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随着弯曲/可折叠电子设备的发展,开发具有高能量密度的柔性电池已经成为目前储能领域的研究热点之一。目前,常规的电极制备需要加入粘接剂和金属集流体,而金属集流体的加入会增大电极的重量,降低电极的整体能量密度和影响电极的柔性,导致常规的电池无法满足柔性电子设备的需求。因此,开发柔性电池的关键问题在于开发出无粘结剂,无金属集流体的质轻,高能量密度的柔性电极。本论文采用静电纺丝技术设计了两种高性能的柔性自支撑薄膜电极材料。一、柔性氮掺杂碳纳米纤维薄膜电极通过静电纺丝技术结合后续热处理手段成功的制备了大尺寸的柔性氮掺杂的碳纳米纤维膜片(N-CNF)。柔性的N-CNF片作为钠离子电池负极具有以下三方面优势:一、结构稳定,N-CNF是由相互缠绕的碳纳米纤维组成,因此具有很好的柔性和机械强度,有利于电极在循环的过程中保持结构稳定;二、高比表面积,N-CNF的比表面积高达564.4 m2 g-1,有利电解液的浸润,增加活性位点;三、高氮含量,N-CNF的氮含量高达7.15 wt%,这有助于改善碳的电化学活性,提高碳材料的比容量。将N-CNF极片直接作为电极用于钠离子电池中,表现出卓越的循环稳定性和优异的倍率性能。在5 A g-1的电流密度下,经过7000次循环后,可逆比容量仍有210 mAh g-1,容量的保持率为99%,当电流密度增加到15 A g-1,可逆比容量仍然有154 mAh g-1。二、二氧化锡/氮掺杂碳纳米纤维柔性电极通过静电纺丝技术将高比容量的纳米颗粒SnO2均匀分散在氮掺杂的碳纤维中(SnO2@N-CNF),形成一体化的柔性电极,应用在锂离子电池中。该电极将颗粒纳米化、碳包覆、氮掺杂和柔性很好的结合在一起,极大的改善了电极的导电性和锂离子的扩散动力学。SnO2@N-CNF是由相互缠绕的多孔氮掺杂碳纤维组成,粒径在5-10 nm范围的SnO2颗粒均匀分布在碳纤维中,纳米化的SnO2颗粒具有较高的电化学活性,碳纳米纤维的限域作用和多孔结构有效地缓解了SnO2在充放电过程中的体积变化。SnO2@N-CNF具有高比表面积(506 m2 g-1)和高氮含量(5.6 wt%),有利于锂离子快速地扩散到电极表面和改善材料的电化学活性。SnO2@N-CNF直接作为电极组装锂离子电池中,表现出优异的电化学性能。1 A g-1的电流密度下,稳定循环300次后,可逆比容量仍有为754 mAh g-1,容量保有率为99%。在5A g-1的电流密度下,比容量仍有245.9 mAh g-1。
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