【摘要】：新型功能纖維的開發(fā)及推廣應(yīng)用,開拓出染整功能研究領(lǐng)域的新空間,使染整工藝技術(shù)不再局限于日常服用功能。隨著消費類鋰離子電池的不斷推陳出新,染整功能整理技術(shù)應(yīng)用于儲能功能纖維的制備設(shè)計正迎合了市場需求。據(jù)此,本文以染整工藝技術(shù)拓展新思路為引導(dǎo),以紡織纖維能量轉(zhuǎn)化與儲存應(yīng)用為切入點,結(jié)合錫(Sn)基材料的儲能特性和納米碳纖維(CNFs)的高導(dǎo)電性,賦予Sn基復(fù)合納米碳纖維儲能功能。針對Sn基材料體積效應(yīng),通過內(nèi)部改性及外部保護兩種方式,分別對Sn基復(fù)合納米碳纖維的成分、形貌和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,以提高循環(huán)性能。通過分析不同方法制備的Sn基復(fù)合納米碳纖維成分、結(jié)構(gòu)和儲能功能之間的關(guān)系,探討其儲能機理。第一章首先介紹了鋰離子電池的研究背景及工作原理,而后簡要闡述了負極材料類型及特點,隨后著重論述了Sn基負極材料的研究現(xiàn)狀和存在的問題,據(jù)此提出了本文的研究意義及工作內(nèi)容。在第二章工作中,利用Sn鹽作為單質(zhì)Sn前驅(qū)體,與PAN共混紡絲-碳化,制得Sn基復(fù)合多孔納米碳纖維(Sn-PCNFs)。金屬Sn以無定形態(tài)超均勻分散于CNFs中,部分溢出團聚成Sn基大顆粒裸露于CNFs表面。結(jié)果表明,Sn-PCNFs在0.8 A g~(-1)大電流密度下循環(huán)200次,能保持774 mA h g~(-1)的高比容量;由于裸露的Sn基大顆粒易在充放電過程中破碎脫落而失去活性,因此Sn-PCNFs的循環(huán)壽命及穩(wěn)定性有待提高。在第三章工作中,以利用第二章裸露的Sn基大顆粒為出發(fā)點,利用Sn和Cu的前驅(qū)體與PAN發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)高度分散Sn-Cu前驅(qū)體,采用碳化-合金化一步法制得Sn-Cu合金與CNFs基體(Sn-Cu-CNFs),控制溫度為700oC可使惰性Cu3Sn和活性Cu6Sn5共存于Sn基大顆粒中,顯著提升Sn基復(fù)合納米碳纖維的循環(huán)性能。結(jié)果表明,Sn-Cu-CNFs在1.0 A g~(-1)大電流密度下,可循環(huán)1200次,比容量保持400 mA h g~(-1),庫倫效率為99%;對比Sn-PCNFs,循環(huán)壽命大幅提升。在第四章工作中,以保護第二章裸露的Sn基大顆粒為思路,以廉價的蔗糖為碳源,采用低溫水熱法進行碳包覆保護,制得碳包覆Sn基復(fù)合納米碳纖維(Sn-SnO_2-CNF@C),控制蔗糖濃度可獲得均勻包覆的碳層結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試結(jié)果表明,Sn-SnO_2-CNF@C2在電流密度為0.8 A g~(-1)下循環(huán)200次,容量保持712.2 mA h g~(-1);對比Sn-PCNFs,Sn-SnO_2-CNF@C2具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在第五章工作中,首次利用準(zhǔn)分子紫外光輻照技術(shù)微氧化改性納米碳纖維(UV20-CNFs)和Sn基納米碳纖維(UV20-Sn-CNFs),使纖維表面產(chǎn)生含氧官能團,不僅有利于提高反應(yīng)動力學(xué),而且使循環(huán)過程中形成的固體電解質(zhì)界面(SEI)膜穩(wěn)定錨固在纖維上,提高循環(huán)穩(wěn)定性;同時在纖維表面形成多孔結(jié)構(gòu),增加物理儲鋰量。結(jié)果表明,UV20-Sn-CNFs在0.5 A g~(-1)的電流密度下循環(huán)200次,放電比容量為733 mA h g~(-1),庫倫效率達99%;UV20-CNFs在2.0 A g~(-1)的大電流密度下,循環(huán)次數(shù)可達1000次,且比容量保持300 mA h g~(-1),庫倫效率為98%;準(zhǔn)分子紫外光微氧化技術(shù)簡單易行,具有潛在商業(yè)前景。最后,在第六章中,系統(tǒng)總結(jié)了本論文的研究結(jié)果,指出研究工作中存在的不足,并提出未來的發(fā)展方向及建議。
[Abstract]:The new functional fiber is developed and applied, and the new space in the research field of dyeing and finishing function is developed, so that the dyeing and finishing technology is no longer limited to the daily administration function. With the continuous development of the consumer Li-ion battery, the technology of dyeing and finishing function finishing technology is applied to the preparation and design of the energy-storage functional fiber, and the market demand is being met. In this paper, based on the development of the new thought of dyeing and finishing technology, the energy storage of Sn-based composite nano-carbon fiber is given by combining the energy storage characteristics of the tin (Sn)-based material and the high electrical conductivity of the nano-carbon fiber (CNFs). The composition, morphology and structure of the Sn-based composite nano-carbon fiber were designed by internal modification and external protection for the volume effect of the Sn-based material, so as to improve the cycle performance. The relationship between the composition, structure and energy storage function of Sn-based composite nano-carbon fiber prepared by different methods was analyzed, and its energy storage mechanism was discussed. In the first chapter, the research background and working principle of the Li-ion battery are introduced in the first chapter, then the types and characteristics of the negative materials are briefly described, and then the research status and the existing problems of the Sn-based negative material are emphatically discussed, and the research significance and the working contents of this paper are put forward. In the second chapter, Sn-based composite porous nano-carbon fiber (Sn-PCNFs) was prepared by using Sn salt as the precursor of simple substance Sn and blending with PAN. The metal Sn is superuniformly dispersed in CNFs in a non-constant form, and the partial overflow is agglomerated into Sn-based large particles and exposed on the surface of the CNFs. The results show that the cycle life and stability of Sn-PCNFs need to be improved because the Sn-PCNFs are cycled 200 times under a large current density of 0.8 A g ~ (-1), and the high specific capacity of 774 mA h g ~ (-1) can be maintained. In the third chapter, the Sn-Cu precursor and the CNFs matrix (Sn-Cu-CNFs) were prepared by a step of carbonization-alloying by using the second exposed Sn-based large particles as the starting point, using the precursor of Sn and Cu and the complex reaction of the PAN to disperse the Sn-Cu precursor. The control temperature is 700oC, so that the inert Cu3Sn and the active Cu6Sn5 can coexist in the Sn-based large particles, and the cycle performance of the Sn-based composite nano carbon fiber is remarkably improved. The results show that Sn-Cu-CNFs can be cycled for 1200 times at a large current density of 1. 0 A g ~ (-1), with a specific capacity of 400 mA h g ~ (-1), and the coulomb efficiency is 99%. Compared with Sn-PCNFs, the cycle life of Sn-Cu-CNFs is greatly improved. In chapter 4, in order to protect the exposed Sn-based large particles of the second chapter, the carbon-coated Sn-based composite nano-carbon fiber (Sn-SnO_2-CNF@C) was prepared by using the low-temperature water heat method as the carbon source, and the carbon-coated carbon layer structure can be obtained by controlling the concentration of the sucrose. The results of the electrochemical test show that the Sn-SnO_2-CNF@C2 is 200 times under the current density of 0.8 A g ~ (-1), the capacity is 71.2 mA h g ~ (-1), and compared with the Sn-PCNFs, the Sn-SnO_2-CNF@C2 has better cycle stability and multiplying power performance. In the fifth chapter, the nano-carbon fiber (UV20-CNFs) and the Sn-based nano-carbon fiber (UV20-Sn-CNFs) were micro-oxidized by excimer UV irradiation, so that the oxygen-containing functional group was generated on the surface of the fiber, which not only is beneficial to the improvement of the reaction kinetics, and the solid electrolyte interface (SEI) film formed in the circulation process is stably anchored on the fiber, and the cycle stability is improved; meanwhile, the porous structure is formed on the surface of the fiber, and the physical lithium storage amount is increased. The results show that the discharge ratio of UV20-Sn-CNFs is 200 times under the current density of 0.5 A g ~ (-1), the discharge specific capacity is 733 mA h g ~ (-1), the coulomb efficiency is 99%, the number of cycles can be up to 1000 times under the large current density of 2.0 A g ~ (-1), and the capacity of the UV20-CNFs is 300 mA h g ~ (-1), and the coulomb efficiency is 98%. The excimer ultraviolet micro-oxidation technology is simple and feasible, and has potential commercial prospect. Finally, in the sixth chapter, the system summarizes the research results of this paper, points out the deficiency in the research work, and puts forward the future development direction and suggestion.
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM912

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本文編號：2323327