静电纺微纳米纤维纱线在超级电容器中的应用

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1、东华代码：10255学号：2150070东华大学硕士学位论文MasterDissertationofDonghuaUniversity静电纺微纳米纤维纱线在超级电容器中的应用TheApplicationofElectrospunMicro-nanofiberYarnsinSupercapacitor学科专业：纺织材料与纺织品设计作者姓名：陈文翀指导老师：张弘楠、张坤答辩日期：2018年01月05日东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注于伟东教授答辩委员会主席东华大学陈廷教授答辩委员会委员苏州

2、大学王先锋研究员答辩委员会委员东华大学李发学教授答辩委员会委员东华大学刘若华副教授答辩委员会委员东华大学黄晶助理研究员答辩委员会秘书东华大学东华大学硕士论文摘要静电纺微纳米纤维纱线在超级电容器中的应用摘要目前，随着苹果手机、谷歌眼镜等可穿戴和便携式电子设备的日益推广，柔性可穿戴设备（如智能服装）已成为研究者们关注的焦点，而能量存储设备（超级电容器、锂电池等）是智能服装不可缺少的重要组成部分，其中，柔性一维结构状超级电容器因其功率密度大、循环寿命长、能与智能服装实现集成等特点更被广泛研究。静电纺微纳米材料由于其比表面

3、积大、细度小、质量轻等特点而被运用于超级电容器的电极材料中，然而现阶段对一维（纱线）状的静电纺微纳米纤维纱线在超级电容器中的研究却较少。因此，本文将以静电纺微纳米纤维纱线为载体，在其基础上设计了一系列不同结构的一维超级电容器电极材料，并考察电极材料的各项性能。首先，采用气相聚合法，将少量聚苯胺（PANI）包覆于非导电聚丙烯腈（PAN）微纳米纱线表面以探究PANI层形貌结构对于纱线导电性能的影响。使用课题组自主研发的纳米纺纱机制备PAN微纳米纱线作为芯层材料，再使用气相聚合法，在PAN微纳米纱线表面生长导电高聚物PA

4、NI，形成具有皮芯结构（core-shell）的PAN/PANI复合结构微纳米纱线。使用单因素实验法探究各项参数对于复合纱线表面PANI的形貌结构及电学性能的影响，实验结果表明：在氧化剂浓度为0.375mol/L、聚合时间为5h、盐酸浓度为1mol/L、聚合温度为20℃的条件下，芯层PAN微纳米纤维纱线表面包覆的PANI最为I东华大学硕士论文摘要均匀、连续，此时复合纱线的电导率最高可达(3.15±0.19)S/m；再对2其进行超级电容性能测试，测得在电流密度为0.1mA/cm的条件下，2PAN/PANI纱线电极的面

5、积比容量为39.2mF/cm。其次，由于PAN为非导电高聚物，自身电阻较大，不适用于电极材料的制备，因此，本文选用了导电碳纳米纤维纱线（CNY）作为芯层材料。由于PAN的高含碳量，将PAN微纳米纱线碳化处理，制得碳纳米纤维纱线，并使用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）、热重分析（TG）、拉曼光谱（Raman）、电化学工作站等对CNY的结构性能进行测试表征，实验结果表明：CNY中的纳米纤维仍具有较高的取向性，CNY中仍旧存在着乱层石墨结构，其电导率相比PAN/PANI的电导率高出了一个数量级左右；使用电化学工作

6、站测试2得碳纳米纱线在扫描速度为5mV/s和电流密度为0.1mA/cm下的面22积比容量仅为4.22mF/cm和4.96mF/cm。然后，由于碳基材料的双电层电容储能局限性，为进一步提高电极材料的比容量，在芯层碳纳米纤维纱线表面引入导电高聚物聚苯胺，并通过苯胺稀溶液原位聚合法，在CNY表面成功包覆了PANI，得到CNY/PANI复合结构纱线电极，并对不同苯胺（ANI）浓度下制备的CNY/PANI电极材料的超级电容性能进行比较。实验结果表明：在其他条件不变时，当苯胺浓度为0.02M，CNY/PANI复合纱线电极的比2

7、容量最高，在5mV/s的扫描速度下，面积比容量为99.8mF/cm，在220.1mA/cm的电流密度下，面积比容量可达116mF/cm，相较于纯CNY纱线，超级电容性能有了明显的增加；结合场发射电镜图像，初步讨II东华大学硕士论文摘要论了在CNY上不同形貌PANI的生长过程及不同形貌特征对电极材料电化学性能的影响。最后，为进一步提高纱线电极的机械强力和电化学性能，使之能够更广泛的应用于智能纺织品的加工织造中，本文创新的设计了一种包芯复合结构纱线，将具有高电导率和机械强力的碳纤维（CFs）作为芯层，微纳米纤维纱线作为

8、皮层，并对其进行碳化、聚苯胺包覆处理，最终制得碳纤维/碳纳米纱线/聚苯胺（CFs/CNYs/PANI）复合纱线电极材料，并使用场发射扫描电镜（FESEM）、热重分析（TG）、电化学工作站、Land电池测试系统等测试仪器对CFs/CNYs/PANI进行结构性能表征，测试结果表明：在其他条件不变时，ANI用量为0.02M时所制得的CFs/CNYs/PANI复合纱