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【热点文章】碳纳米纤维在铝离子电池中的应用研究

2025-03-11 13:24

2024.0479碳纳米纤维在铝离子电池中的应用研究.pdf

背景介绍

铝离子电池具有高理论比容量、高安全性和低成本等优势，具有广阔的应用前景。在铝离子电池研究领域，通常采用碳材料作为载体，与金属氧化物和金属硫化物等形成复合结构，以获得最佳的储铝性能。碳纳米纤维柔性薄膜作为一种常用的载体，兼具导电基体、生长模板以及缓冲支撑三重作用，可获得优异的电化学性能。且柔性自支撑结构能直接作为电极材料，简化了电池的制备工艺并减轻电池的整体重量。

文章亮点

1. 以聚丙烯腈为前驱体，通过静电纺丝工艺获得具有高比表面积的纳米纤维骨架，再结合热处理将其转变为导电碳基基体，同时为电化学反应创造活性位点。获得的柔性自支撑结构可直接作为电极使用；

2. 高碳化温度能提高碳纳米纤维的石墨化程度，但同时也会降低具有电化学活性的缺陷浓度。对不同碳化温度的碳纳米纤维的结构和电化学性能进行了研究，为铝离子电池正极的设计提供了理论基础和设计依据。

内容介绍

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

1.2 实验方法

1.2.1 碳纳米纤维的制备及铝离子电池组装

将0.5 g聚丙烯腈溶解在5 g N,N-二甲基甲酰胺中，在50 ℃下搅拌6 h，形成均匀的具有一定粘度的溶液，作为纺丝前驱体。采用10 mL注射器和21号不锈钢针头进行溶液推进，推进速度为0.6 mL/h。不锈钢针头与接收板之间的距离为18 cm。

1.2.2 测试方法

电化学测试：循环伏安测试（CV）扫描电压范围为0.1 ~ 2V，扫描速率为0.1 ~ 2 mV/s。电化学阻抗测试(EIS) AC振幅为5 mV，频率范围为100 kHz ~ 0.1 Hz。充放电循环测试中，以电压上下限作为充放电的截至条件，电压窗口为0.1~2 V，电流密度为50~1000 mA/g，电池的比容量以碳纳米纤维质量计算。

2 结果与讨论

2.1 碳化温度对碳纳米纤维结构的影响

利用SEM观察碳纳米纤维的形貌随着碳化温度的升高而变化的情况，结果如图2a ~ 2c所示。在700(图2a)、800 (图2b)、900 ℃(图2c)下，得到的都是连续均匀高长径比的一维纤维无须交织形成的三维网络结构，表面光滑无黏连。

为了进一步表征碳纳米纤维的石墨化程度和缺陷浓度，进行了Raman光谱测试，结果如图3a所示。

2.2 碳纳米纤维的电化学性能测试和储能机理研究

以碳纳米纤维柔性薄膜作为铝离子电池的正极，进行恒流充放电循环测试，电流密度为100 mA/g，结果如图4a所示。

为了进一步研究碳化温度对碳纳米纤维在铝离子电池中储铝动力学的影响，进行了EIS测试，结果如图4c所示。在EIS阻抗测试中，Nyquist图从高频区到低频区由一个大圆弧和一条斜线组成，圆弧的半径代表电荷转移阻抗R_ct和AlCl₄^-的扩散电阻Z_w，而圆弧的起点则代表电池的欧姆内阻。

3 结论

碳化温度是制备碳纳米纤维的关键工艺参数，直接影响到碳纳米纤维的结构和电化学性能。升高可以提高碳纳米的石墨化程度从而提高导电性。然而，随着碳化温度的升高，碳纳米纤维中的杂原子带来的具有电化学活性的缺陷会减少，过高的碳化温度反而会降低碳纳米纤维的储能性能。碳化温度对储能性能的影响是石墨化程度、缺陷含量、微观结构等因素综合作用的结果。800 ℃碳化的碳纳米纤维在铝离子电池中表现出了最佳的储能性能。然而，碳纳米纤维的比容量还是不能满足实际应用的需求，这是碳材料储铝的固有缺点。因此，在铝离子电池中，可将碳纳米纤维作为基底，与高比容量的金属氧化物、金属硫化物等活性材料复合，碳纳米纤维可以发挥导电基体、生长模板以及缓冲支撑三重作用，形成电化学性能优异的柔性自支撑结构。这一研究成果为铝离子电池及其它电化学储能材料的设计提供了理论基础和设计依据。

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