基于静电纺丝法制备碳基复合纳米电极材料应用于超级电容器

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非再生能源的减少和环境问题频增,需要开发清洁高效、可持续的新能源材料和器件。超级电容器,作为一种新型的储能装置,具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长、成本低廉以及绿色环保等优点,因而受到了高度关注。超级电容器性能受到很多因素的影响,其中电极材料的选择至关重要。一维纳米结构做电极能够增大与电解液之间的接触面积,缩短离子和电子的传输路径,从而提高电极的电容值。静电纺丝法是一种简单、快捷、高效的制备连续且均匀一维纳米材料(尺寸可控,比表面积大,孔隙率高,柔韧性好)的方法,其在能源、可穿戴设备、过滤等领域有着广泛应用。静电纺得到的碳纳米纤维(CNFs)除了碳材料具有的固有优点外,还具有可调控的孔结构和强加工性,并且容易与其它物质进行复合改性,被认为是良好的导电支撑基质。通过对碳纳米纤维进行改性和设计,可以得到多组分复合纤维,调控复合材料的化学组成和微观形貌,进而获得高性能超级电容器电极材料。(1)活化多孔碳纳米纤维/二氧化锡(APCNFs/SnO2)复合电极材料。首先,利用静电纺丝与高温煅烧技术制备了CNFs/Cu Ox复合物;然后,通过硝酸处理,得到活化的多孔CNFs(APCNFs);最后,在室温下,将SnO2纳米颗粒均匀沉积在APCNFs表面,从而获得了柔性的APCNFs/SnO2复合膜。与单纯的CNFs和活化CNFs/SnO2电极相比,具有一定质量SnO2的APCNFs/SnO2单电极显示出较大的比电容和较高的倍率性能。此外,组装的准固态对称超级电容器具有良好的柔韧性以及出色的电化学性能,在325 W kg-1功率密度下,能量密度为10.3 Wh kg-1,充放电循环2500次之后,器件的容量没有下降,这表明其在实际应用中具有很大的潜力。(2)C/NiCoOx/Mn O2分级纳米管电极材料。我们以静电纺得到的C/NiCoOx纳米纤维作为自模板,通过氧化还原沉积反应和可控热解过程,设计并制备了分级的C/NiCoOx/MnO2管中纤维(CNCM-FiT)和管中纳米颗粒(CNCM-PiT)结构。这些结构复杂的中空纳米纤维作为电极材料,不仅其本身的电化学性能优异,当用作超级电容器正极材料时,所组装的非对称纽扣型器件也具有很高的容量、能量密度以及良好的循环稳定性。这项工作为多组分中空复合材料的可控制备提供了一种简单的方法,并且为超级电容器性能的改善提供了更多可行途径。
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