一维电极材料的构筑及其在电化学储能器件中的应用

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1、分类号、、学校代码丨密级博士学位论文一维电极材料的构筑及其在电化学储能器件中的应用学位申请人：许恒辉学科专业：材料学指导教师黄云辉教授￥‘胡先罗教授答辩日期：年月日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringFabricationofOne-DimensionalElectrodeMaterialsforElectrochemicalEnergyStorageDevicesC

2、andidateHenghuiXuM:MaterialsScienceajorSupervProf.YunhuiHuangisorProf.XianluoHuHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果

3、由本人承担。学位论文作者魅：日期：年厂月汉日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密请在以上方框内打“’’）学位论文作者签名：指导教师签名日期：年：月：曰日期：年广月”日华中科技大学博士学位论文摘要随着人们对小型、轻质、可移动电

4、子器件的耑求断提升，卨能卨功宰的储能器件正迅猛发展。在各种储能器件中，电化学储能器件因其独特的优势而备受关注：成本低、寿命长、能最高且对逆性好。前电极材料仍是制约化学储能器件性能及应用的关键，本文要探究维电极材料在锂离了电池和超级电界器中的应用，具体研究内容及结果如基】二静电纺丝法和后续热处理过程制备均匀碳包覆的维纳米复合纤维。所得纤维由纳米颗粒轴向互联组成，而且纤维农面包覆少景碳层。当用作锂电池负极材料时，维复合纤维表现出高倍率储锂性能。另外本文详细研宄了复合纤维中的碳含量对电化学性能的影响，发现含适量碳的电极有利子获得高

5、性能。这主要归因于纳米颗粒和包覆碳层的协同效应，纳米尺度的颗粒和适量的高导电碳层不仅可以缩短离子传输路径还能提高复合电极电导率。该维电极的制备方法简笮有效，非常适用于大规模制备高性能负极材料。基静电纺丝结合后续“两步”热处理法制备维多孔结构的复合纳米纤维。在之前步高温热处理制备碳包覆纳米纤维的基础上，进一步将其在空气中进行低温热处理。在此过程屮碳部分燃烧，释放的气体在纤维中留下孔洞，时纳米颗粒在此低温卜也不会长大。该过程可以制备集碳包覆、纳米化和多孔结构三功能体的纳米复合材料。当被用作锂电池和混合电容器电极材料时，表现出超高

6、的倍率性能和优异的循环稳定性。针对理论比容量较低的问题，制备维多孔结构的理论比容量纳米纤维电极材料。多孔纤维由尺寸约为的纳米颗粒相互连接而成，颗粒之间布满了大量的介孔。用作锂电池负极材料时，纳米纤维表现出高容量、优异的循环稳定性和倍率性能，在的电流下纹次容量达次循环后■逆容景达在原位测试的研究基础匕我们对的储锂机制进行探讨研宄，发现纹次嵌入后相结构华中科技大学博士学位论文完全改变，新生成的产物在后续的充放电循环屮经历可逆的嵌入式反应。另外我们进步制备维碳包覆的纳米复合材料，并取得丫更为优异的电化学性能。本丨作为探索其他电极材

7、料的结构与性能的关系提供了参考范本。以静电纺丝所得碳纳米纤维纸为基底，分别负载花状和并作为电极材料组装了柔性非对称电容器。碳纳米纤维纸质轻、多孔网络结构、导电且高柔性，是种负载活性物质的理想基底材料。通过简单的湿化学法即可负载约的，占复合电极总质景的。优化后的柔性非对称器件可以在的高压下作，基于整个电极面积或质量的最高能量和功率密度分别达和。不同于以往仅仅基于活性物质计算容量的工作，本作获得丫高负载活性物质的柔性电极，为制备高能量电容器提供了一种新思路。为了提高维同轴线形电容器的能量，设计制备了新型同轴非对称电容器。将负载有

8、的碳纳米纤维纸（壳电极）包裹在沉积有的多孔金线表面（核电极），两电极间灌注少量凝胶电解液即可制得一维同轴非对称电容器。线形非对称器件能在的高电压下工作，不仅表现出高容量（和高能量（而且循环性能优异，次循环后，容量保持率达。多孔金线柔性高且表面多孔结构可以为活性物质的沉积提供大量的负载空间。