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近年来,研究人员采用静电纺丝技术在保证电极材料纳米尺寸优势的同时,进一步调制表面孔隙结构,提高电极材料有效表面积,制备多孔碳纳米纤维。研究表明,孔径2nm以下的小孔对电容量的提高几乎没有影响,2~50nm的介孔贡献最大,50nm以上的中孔影响次之。Ngoc等电纺溶解有氯化锌的PAN溶液制备纳米纤维,经固化)碳化)酸洗,最终使碳纳米纤维表面出现大量直径约6.9nm的孔洞,在KOH电解质下比电容为140F˙g-1,高于自由生长的多壁碳纳米管的比电容量(113F˙g-1)。此外,Im等运用物理活化的方法,电纺掺杂有氧化硅纳米颗粒的PAN溶液,获得具有多孔(孔径43nm)结构的颗粒状碳材料,BET所测比表面积达340.9m2˙g-1;Nataraj等用FeCl3和FeSO4作为活化剂制得表面多孔的碳纳米纤维,形貌如图4(a)所示,表面孔径为6~31nm,BET所测比表面积达550m2˙g-1,电导率高达2.42S˙cm-1。这些都是超级电容器的理想电极材料。
碳基电极材料的比电容量大都在200F˙g-1以下,且电容量与比表面积并不总是呈线性关系,如比表面积3000m2˙g-1的活性碳,实际表面利用率仅为10%左右。基于此现实,部分研究人员致力于碳基复合电极材料的研究,在保证比表面积的同时,对材料的导电性等方面进行改性。
Li等利用静电纺丝制备Ni/C复合材料电极,形貌如图4(b)所示,可清晰看到金属Ni均匀镶嵌在碳纤维表面,Ni的加入提高碳表面对(OH)-的偶极亲和力,同时改善了材料对电解质的润湿性能,在碱性电解质中比电容量较纯碳材料提高了228%;Guo等以掺杂有多壁碳纳米管(MWCNT)的聚偏氟乙烯(PVDF)为纺丝前驱体,制取MWCNT/CNF的电极材料,形貌如图4(d)所示,可以清晰看到碳纳米管镶嵌在碳纤维的表面,提高电极导电性,有益于提高电容量,在1mol/LH2SO4电解质中比电容量高达310F˙g-1;Ju等通过原位化学聚合的方法,在电纺制备的ACNF/CNT表面沉积聚吡咯(PPy),制取PPy/ACNF/CNT电极材料,形貌如图4(c)所示,由于高导电性CNT以及具有良好电荷转移能力的PPy的加入,使得所制纤维直径更细,在碱性电解质中单电极比电容量高达333F˙g-1;Lee等利用醋酸纤维素分子的高含氧量来提高导电性,以聚丙烯腈(PAN)和醋酸纤维素(CA)的混合物为纺丝前驱体,制备的碳纳米纤维比电容量可达245F˙g-1。
Si、SiO2等亦可作为超级电容器的电极材料,其中SiO2在1mol/L的EtNBF/PC电解质中比电容量可达62.5F˙g-1。基于此,Ji等利用电纺制取了C/SiO2纳米纤维复合材料;Chen等利用电纺制取了C/Si纳米纤维复合材料。这些都可作为超级电容器的电极材料。
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