静电纺丝制备纳米材料在超电容和锂、钠离子电池中的应用研究 由于将间歇性可再生能源（如太阳能和风能）转换为电能的电网储能需求日益增长,人们对高效储能设备的需求越来越大。在过去的二十年中,高性能锂离子电池作为一种高效的能源存储设备而得到了广泛应用。
锂离子电池是一种低成本且环保的新型储能设备,相比于传统电池,锂离子电池具有高能量密度,高工作电压和较轻的质量等优点,因此被应用于许多领域,例如便携式电子消费设备、混合动力汽车和植入式医疗设备等。而超级电容器同样作为一种新型储能器件,由于其在工作时具有功率密度高,快速充电和放电能力强,长循环寿命和高可靠性等优点,同样也引起了人们的广泛关注。 众所周知,储能装置的电化学性能主要取决于电极材料。因此,制备合适的电极材料是研究电化学储能的关键。 静电纺丝是生产具有小直径和形貌可控一维纳米材料最容易和通用的方法。由于静电纺丝所制备的材料具有多孔以及高比表面积等特点,从而能够增大电解液和电极活性材料的接触面积,导致其在电化学反应过程中具有更短的离子和电子扩散路径。
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因此,静电纺丝所制备的纳米材料被认为是新型电化学储能设备电极材料的理想选择。本论文研究的主要内容如下:（1）在第二章中,我们采用静电纺丝和煅烧的方法制备了具有异质结构的RuO<sub>2</sub>@Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>纳米纤维。
二维力传感器通过设计一系列不同温度条件下的煅烧实验,揭示了RuO<sub>2</sub>@Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>异质纳米纤维可能的形成机理。随后,我们制备了RuO<sub>2</sub>@Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>电极,并研究了其在超级电容器中的电化学性能。
由于RuO<sub>2</sub>和Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>之间的协同作用以及RuO<sub>2</sub>@Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>异质纳米纤维结构的独特性,该复合材料表现出较高的可逆比电容在10 A g<sup>-1</sup>的电流密度下具有1103.6 F g<sup>-1</sup>比容量),高倍率性能即使在100 A g<sup>-1</sup>的电流密度下依然具有500.0 F g<sup>-1</sup>的比电容和优异的循环性能在电流密度为10 A g<sup>-1</sup>下,经过1000,2000和5000次循环后,容量分别可以保持为初始容量的93.0,91.8和88.0%)。我们的工作表明,所制备的RuO<sub>2</sub>@Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>异质纳米
纤维可以用作先进超级电容器的电极材料,而这种简单的静电纺丝方法可以推广到其它新型异质结构材料的制备中。
车载电视接收器（2）在第三章中,我们首先使用简单的静电纺丝法合成了Co（NO<sub>3</sub>）<sub>2</sub>@PVP纳米纤维,然后在空气中煅烧制得多孔Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>纳米管。扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像显示制备的材料具有良好的多孔管状结构。
随后,我们制备了Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>纳米管电极,并研究了其作为锂离子电池负极时的电化学性能。Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>纳米管的多孔管状结构能够为活性材料在充放电过程中产生的体积膨胀提供缓冲空间,从而减缓电极的粉化过程。
电化学测试结果表明当电流密度为0.1 Ag<sup>-1</sup>时,Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>电极的首次放电比容量为1294.4 mA h g<sup>-1</sup>。经过60次循环后,其比容量为887.6mA h g<sup>-1</sup>。zigbee自组网
当电流密度增加到1 A g<sup>-1</sup>时,Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>纳米管电极仍
3ku可获得498.4 mA h g<sup>-1</sup>的可逆比容量。（3）在第四章中,我们首先采用静电纺丝和煅烧的方法制备了Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>纳米管。
随后,我们使用原子层沉积技术制备了具有核壳结构的Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>@TiO<sub>2</sub>纳米管,并研究了其作为锂离子电池负极的电化学性能。与纯Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>电极相比,经过非晶TiO<sub>2</sub>复合后,Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>@TiO<sub>2</sub>电极的循环性能得到了明显的提升。
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Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>@TiO<sub>2</sub>电极在电流密度为0.2 Ag<sup>-1</sup>时,首次放电比容量为1078.6 mA h g<sup>-1</sup>,100次循环后仍然具有774.8 mA h g<sup>-1</sup>的高放电比容量。而纯Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>电极的容量从第40次循环开始显著降低,100次循环后其放电比容量仅为607.6 mA h g<sup>-1</sup>。
循环后Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>@TiO<sub>2</sub>电极材料的的扫描电镜图像表明,非晶TiO<sub>2</sub>对维持电极材料的形貌结构起着关键作用。Fe<sub>2</sub>O
<sub>3</sub>与TiO<sub>2</sub>相结合的设计不仅充分利用了Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的高容量,而且还充分利用了TiO<sub>2</sub>电化学性质稳定的特点,保持了活性材料结构的稳定,从而提高了电极的循环稳定性。
（4）在第五章中,我们通过简单的浓度梯度和静电纺丝方法分别制备了碘量子点修饰石墨烯复合薄膜材料（IQDs@RGO）和碳纳米纤维薄膜材料（CNFs）。扫描电镜和透射电镜图像显示在制备的IQDs@RGO薄膜中,单质碘形成了具有纳米尺寸的碘量子点并均匀地粘附在石墨烯表面。
而静电纺丝所得的CNFs薄膜则是由大量均匀的碳纳米纤维交织在一起,形成了一张具有三维网状结构并且可折叠的柔性薄膜。利用IQDs@RGO薄膜和CNFs薄膜同时具有良好的柔韧性这一特点,我们组装了一种基于钠离子电池的柔性钠碘全电池。
所制备钠碘电池具有优秀的电化学性能,在电流密度为100 mA g<sup>-1</sup>时,表现出了170 mAh g<sup>-1</sup>的比容量和优秀的循环稳定性。相比于传统的钠离子电池,我们所制备的钠碘电池不需要使粘合剂,碳黑导电添加剂和集电器,从而能大幅缩减制造成本。
