一个高度灵活的无粘结剂锂硫电池需要同时满足许多关键功能,包括高导电性、结构耐久性和高效的离子迁移能力,从而使得设计和制造高性能灵活的锂硫电池成为很大的挑战。无添加剂多孔碳纳米纤维网络作为锂硫电池,具有微孔结构比较成熟,纳米纤维的形态相互连接且比表面积较大[26-28]。此外,基于复合膜具有可控厚度的电纺纳米碳纤维,与其他三维框架(如石墨烯薄膜,网络和凝胶)模板的纳米复合材料相比,灵活性高,稳定性好,有效地避免了繁琐的过程,显著简化无粘结剂阳极电池实际批量生产便携式电子的应用。

在本研究工作中,我们通过“静电纺丝”方法制备了具有多孔结构的碳纤维复合材料。其中,聚苯乙烯与聚酰亚胺混纺以后,通过高温烧结的方式,实现了多孔纤维结构的制备。静电纺丝得到的碳纤维薄膜经亚胺化、高温处理得到结构均匀的多孔碳薄膜材料。这种纤维材料具有良好的孔隙结构,采用蒸镀的方法实现了活性硫在多孔纤维材料结构中的均匀负载,实现了碳硫复合纤维材料的制备。进一步地,在碳硫复合纤维材料表面负载一层聚苯胺,用于固定硫的锂化产物“多硫化物”。研究证明,这种复合材料具有良好的独立自支撑结构,以及优异的导电性能,可以直接作为电极材料组装锂硫电池。其电化学性能将在进一步的研究工作中逐步展开。文献综述

1实验部分

1.1主要实验试剂

4,4-二氨基二苯醚(ODA),均苯四甲酸酐(PMDA),N,N-二甲基乙酰胺(DMAC),苯胺单体(aniline),浓硫酸,过硫酸铵(APS)购置于国药集团化学品有限公司。聚苯乙烯(PS)购置于Sigma-Aldrich公司。其他药品试剂,如乙醇,丙酮等等,均为分析纯级别,无再处理过程,直接在课题研究中使用。

1.2仪器设备

1.2.1实验所用仪器

三口烧瓶;称量纸(皿);电子天平;铁架台;电动搅拌器;机械搅拌棒;磁力加热搅拌器;搅拌棒;烧杯;量筒;烘箱;电热鼓风干燥箱;管式炉;静电纺丝设备(北京永康乐业科技发展有限公司);医用注射器。

1.2.2测试设备

扫描电子显微镜(SEM, Hitachi S-4800),X射线衍射仪(XRD,Bruker D8),热重分析仪(TGA,TA 500),阻抗谱测试系统(Parstat- Solartron),电池充放电测试系统(LAND,ST2001A),循环伏安测试系统(ARBIN,48通道)。

1.3实验步骤

1.3.1聚酰胺酸(Polyamic acid,PAA,15 wt%)的制备及方法

    称量4,4-二氨基二苯醚(ODA)12.51g,均苯四甲酸酐(PMDA)14.49g,量取N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)165ml。搭建电动搅拌装置,固定好三口烧瓶,从右口加入4,4-二氨基二苯醚(ODA),左口加入N,N-二甲基乙酰胺(DMAC),再从右口逐渐缓慢加入均苯四甲酸酐(PMDA),中间口固定机械搅拌棒,设定转速为400r/h,反应12h,进行聚合反应,产物为粘稠状、微黄色胶体,具有流动性,为15%聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸(PAA)。

1.3.2聚苯乙烯(polystyrene,PS,15 wt%)的制备及方法

    利用N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂,实现固体颗粒聚苯乙烯(PS)在室温条件下的完全溶解,配置成15%的聚苯乙烯(PS)。

1.3.3 聚酰亚胺(polyimide,PI)的制备及方法

 将15%聚酰胺酸(PAA)与15%聚苯乙烯(PS)溶液按照70:30,以及50:50的比例进行均匀混合。将得到的混合溶液,吸入医用注射器,采用静电纺丝的方法制备具有均匀纤维结构聚合物PAA-PS薄膜。

 得到的PAA-PS在管式炉中慢速升温(1℃/分钟)至350℃,并恒温120分钟,完成聚酰胺酸的亚胺化,得到聚酰亚胺-聚苯乙烯薄膜。

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