本文選題：柔性電極　切入點：氮摻雜碳纖維　出處：《華南理工大學(xué)》2016年碩士論文

【摘要】：隨著彎曲/可折疊電子設(shè)備的發(fā)展,開發(fā)具有高能量密度的柔性電池已經(jīng)成為目前儲能領(lǐng)域的研究熱點之一。目前,常規(guī)的電極制備需要加入粘接劑和金屬集流體,而金屬集流體的加入會增大電極的重量,降低電極的整體能量密度和影響電極的柔性,導(dǎo)致常規(guī)的電池?zé)o法滿足柔性電子設(shè)備的需求。因此,開發(fā)柔性電池的關(guān)鍵問題在于開發(fā)出無粘結(jié)劑,無金屬集流體的質(zhì)輕,高能量密度的柔性電極。本論文采用靜電紡絲技術(shù)設(shè)計了兩種高性能的柔性自支撐薄膜電極材料。一、柔性氮摻雜碳納米纖維薄膜電極通過靜電紡絲技術(shù)結(jié)合后續(xù)熱處理手段成功的制備了大尺寸的柔性氮摻雜的碳納米纖維膜片(N-CNF)。柔性的N-CNF片作為鈉離子電池負(fù)極具有以下三方面優(yōu)勢:一、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,N-CNF是由相互纏繞的碳納米纖維組成,因此具有很好的柔性和機械強度,有利于電極在循環(huán)的過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;二、高比表面積,N-CNF的比表面積高達564.4 m2 g-1,有利電解液的浸潤,增加活性位點;三、高氮含量,N-CNF的氮含量高達7.15 wt%,這有助于改善碳的電化學(xué)活性,提高碳材料的比容量。將N-CNF極片直接作為電極用于鈉離子電池中,表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能。在5 A g-1的電流密度下,經(jīng)過7000次循環(huán)后,可逆比容量仍有210 mAh g-1,容量的保持率為99%,當(dāng)電流密度增加到15 A g-1,可逆比容量仍然有154 mAh g-1。二、二氧化錫/氮摻雜碳納米纖維柔性電極通過靜電紡絲技術(shù)將高比容量的納米顆粒SnO_2均勻分散在氮摻雜的碳纖維中(SnO_2@N-CNF),形成一體化的柔性電極,應(yīng)用在鋰離子電池中。該電極將顆粒納米化、碳包覆、氮摻雜和柔性很好的結(jié)合在一起,極大的改善了電極的導(dǎo)電性和鋰離子的擴散動力學(xué)。SnO_2@N-CNF是由相互纏繞的多孔氮摻雜碳纖維組成,粒徑在5-10 nm范圍的SnO_2顆粒均勻分布在碳纖維中,納米化的SnO_2顆粒具有較高的電化學(xué)活性,碳納米纖維的限域作用和多孔結(jié)構(gòu)有效地緩解了SnO_2在充放電過程中的體積變化。SnO_2@N-CNF具有高比表面積(506 m2 g-1)和高氮含量(5.6 wt%),有利于鋰離子快速地擴散到電極表面和改善材料的電化學(xué)活性。SnO_2@N-CNF直接作為電極組裝鋰離子電池中,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。1 A g-1的電流密度下,穩(wěn)定循環(huán)300次后,可逆比容量仍有為754 mAh g-1,容量保有率為99%。在5A g-1的電流密度下,比容量仍有245.9 mAh g-1。
[Abstract]:With the development of bending / foldable electronic devices, the development of flexible batteries with high energy density has become one of the research hotspots in the field of energy storage.At present, conventional electrode preparation requires the addition of binder and metal collector, and the addition of metal collector will increase the weight of the electrode, reduce the overall energy density of the electrode and affect the flexibility of the electrode.As a result, conventional batteries can not meet the needs of flexible electronic equipment.Therefore, the key problem of developing flexible battery is to develop flexible electrodes with no binder, no metal fluid collecting, light weight and high energy density.In this paper, two kinds of high performance flexible self-supporting thin film electrode materials were designed by electrostatic spinning technology.The main results are as follows: 1. The flexible nitrogen doped carbon nanofiber film electrode was successfully prepared by electrospinning technology and subsequent heat treatment.As the negative electrode of sodium ion battery, the flexible N-CNF has the following three advantages: first, the structurally stable N-CNF is composed of intertwined carbon nanofibers, so it has good flexibility and mechanical strength.It is beneficial to keep the structure of electrode stable during the cycle. Second, the specific surface area of N-CNF with high specific surface area is as high as 564.4 m ~ 2 g ~ (-1), which is favorable to the infiltration of electrolyte and the increase of active sites.The nitrogen content of N-CNF with high nitrogen content is as high as 7.15 wt. it is helpful to improve the electrochemical activity of carbon and increase the specific capacity of carbon materials.The N-CNF electrode was used as an electrode for sodium ion batteries, which showed excellent cycling stability and excellent rate performance.Secondly, tin dioxide / nitrogen-doped carbon nanofiber flexible electrode dispersed the high-capacity nano-particles SnO_2 uniformly in nitrogen-doped carbon fiber by electrospinning technique to form an integrated flexible electrode for use in lithium ion batteries.The electrode, which combines nanoparticles, carbon coating, nitrogen doping and flexibility, greatly improves the conductivity of the electrode and the diffusion kinetics of lithium ions.The size of SnO_2 particles in the range of 5-10 nm is uniformly distributed in carbon fiber, and the nanoparticles of SnO_2 have high electrochemical activity.The limiting effect and porous structure of carbon nanofibers can effectively mitigate the volume change of SnO_2 during charge and discharge. SnO2N-CNF has high specific surface area of 506m2 / g ~ (1) and high nitrogen content (5.6wtTX), which is beneficial to the rapid diffusion and modification of lithium ions to the electrode surface.The electrochemical activity of good materials. SnOs 2N-CNF is directly used as an electrode to assemble lithium ion batteries,At the current density of 1.1A g ~ (-1), the reversible specific capacity is still 754 mAh g ~ (-1) and the capacity retention is 99g ~ (-1) after 300 stable cycles.At the current density of 5A g ~ (-1), the specific capacity is still 245.9 mAh g ~ (-1).
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646.54

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本文編號：1682859