高分子基多孔纤维材料的制备及应用

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摘要：将电池的电极材料制备成为具有三维孔隙结构的多孔材料，是开发其电化学性能的非常关键的一步。特别是对于锂硫电池的电极材料而言，多孔隙结构可以使活性物质完全参与电化学反应。这此研究中，我们通过静电纺丝技术制备了一种具有多孔隙结构的纤维薄膜材料。这种薄膜材料在每一根纤维上面也有良好的孔隙结构，并且纤维材料整体具有独立自支撑特性。在制备薄膜的过程中，聚苯乙烯（PS）被混纺在复合纤维材料中，起到了良好的造孔剂的作用。采用高温蒸镀的方法将活性硫材料负载于多孔材料中，得到碳-硫（C-S）复合纤维材料。在C-S复合纤维表面负载一层聚苯胺，作为保护层，用于放置多硫化物的穿梭效应。材料在锂硫电池中的应用会在后续的工作中进一步开展。69220

毕业论文关键字：多孔纤维，独立自支撑薄膜，硫，苯胺，锂硫电池

Preparation and application of polymer based porous fiber materials

Abstract:Three-dimensional porous structures of electrode materials can play an important role in exploiting the electrochemical performance of carbon and sulfur based electrode materials. In this work, a highly porous carbon fiber film with good micropores inside the fibers was prepared according to an electrospun method. Polystylene (PS) solution was used as a pore-created precursor inside the matrix of polyimide (PI). High temperature carbonization treatment of PI fibers results in good electrical conductivity of the obtained films. Active sulfur materials were loaded inside or on the surface of the porous fibers by an evaporation treatment at 155 oC. Then, aniline monomers were polymerized on the surface of C-S fibers in order to act as a coating layer to prevent the “shuttle” effect of polysulfide (PS). The further application as an active electrode for lithium sulfur battery will be carried out in the next step.

Key words: porous fiber, free-standing film, sulfur, polyaniline, lithium-sulfur battery

前言：

由于来自能源危机和全球环境问题的严重压力，锂硫电池因为高能量密度，高比容量，低廉的价格以及环境友好的特点，而作为电动车及电子器件的动力电池，已经获得了广泛的关注[1-5]。因此，具有高容量和优良的稳定性的新型电极材料的开发与大规模制备，已被认为是有效拓展锂硫电池实际应用的有效的途径[6-8]。活性材料在锂离子/锂硫电池中扮演着重要的角色，而活性材料在参与电化学反应的过程中，必须与电解液进行充分的接触才能完成嵌入/脱出锂离子的过程[9-11]。所以，在电极材料开发的过程中，合理地引入多孔结构对锂离子/锂硫电池性能的开发具有极好的作用。论文网

在已有的文献中，用作电极材料负载活性硫的导电基体中，常见的多孔状材料包括石墨烯、碳纳米管、活性炭等等。这些0维，1维和2维碳材料具有良好的微观结构和丰富的表面官能团[12-15]。特别地，当这些碳材料通过界面负载的方法实现多维度复合碳材料的情况下，便具备了更为良好的多孔结构。例如，石墨烯和碳纳米管的复合物中，碳纳米管不仅可以作为骨架材料，阻止石墨烯片层的紧密堆积，同时也可以作为桥梁，连接不同的石墨烯片层，使得复合材料的导电性能明显增加[16,17]。而且，在复合碳材料制备过程中形成的多孔结构，可以为活性硫提供良好的负载基体。所以，具有良好导电性能的多孔隙结构材料在锂硫电池硫正极材料的开发过程中具有良好的作用。

但是，基于活性炭，石墨烯，碳纳米管相关的复合碳材料也有自己的缺点。在负载活性硫之后，宏观上依然表现为粉末状结构，在实际使用过程中，需要加入粘结剂（PVDF，PTFE等）和导电剂（乙炔黑，超导炭黑等），才能粘附到集流体上面并保持良好的导电性能[18-21]。但是，PVDF，PTFE等粘结剂没有储存锂离子的性能，同时也不具备导电性能，会严重降低电极材料的能量密度；特别是被PVDF或PTFE完全包裹的活性材料，无法充分地与电解液进行接触，其存储锂离子的性能不能得到完全利用，对活性电极材料的电化学性能造成一定程度的损害[22-25]。所以，开发具有独立自支撑结构的电极材料，摒弃粘结剂和导电剂的使用，可以更为有效地发挥电极材料的电化学性能，提高电池的能量密度。