锡基杂化碳纳米纤维的制备及其电化学性能研究

作     者：韩姗 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宁

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：气流纺丝 无机杂化碳纳米纤维 SnO2纳米线 SiO2颗粒 电容性能 

摘      要：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。