核-壳型复合材料，用于自立式和无粘合剂的超级电容器电极

Compos. Sci. Technol.：基于聚酰亚胺衍生的碳纳米纤维和二氧化锰的核-壳型复合材料，用于自立式和无粘合剂的超级电容器电极

DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108212

本文报告了基于二氧化锰（MnO2）涂覆聚酰亚胺（PI）衍生的碳纳米纤维（CNF）的核-壳型复合材料的微结构和电化学性能，这类材料有望用作自立式和无粘合剂的超级电容器电极材料。为此，通过对PI前驱体与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行静电纺丝，将初生纳米纤维亚胺化，将PI/PVP纳米纤维碳化成纯CNFs，在0-60分钟的不同浸渍时间下，用MnO2涂覆纯CNFs，制备了一系列核-壳型CNF/MnO2复合材料。核-壳型CNF/MnO2复合材料的拉曼光谱、X射线衍射和电子显微镜分析表明，MnO2纳米晶须被良好地包覆在具有涡轮层石墨结构的CNFs上，并且其涂层厚度随浸渍时间的增加而增加。随着MnO2涂层厚度的增加，电导率从纯CNF的3.6 S/cm降低到CNF/MnO2复合材料的1.6 S/cm。由于协同作用，在浸涂时间为10分钟时制备的核-壳型CNF/MnO2复合材料表现出最大的电化学性能，例如在10 mV/s下的比电容约为456 F/g，能量密度约为17.8 Wh/kg，功率密度约为320 W/kg。在3000次充放电试验后，除具有良好的工作稳定性外，电容保持率可达95.8％。

图1.通过静电纺丝、酰亚胺化、碳化和浸涂步骤制备核-壳型CNF/MnO2复合材料的示意图。

图2.氮气气氛下以10℃/min的升温速率获取初生PAA/PVP纳米纤维的TGA曲线。

图3.（A）PAA/PVP纳米纤维、（B）PI/PVP纳米纤维、（C）PI/PVP衍生的CNF、（D）CNF/MnO2-10、（E）CNF/MnO2-30、（F）CNF/MnO2-60的SEM图像。

图4.核-壳型CNF/MnO2复合材料的TEM图像：（A）CNF/MnO2-10；（B）CNF/MnO2-30；（C）CNF/MnO2-60。

图5.PI/PVA衍生的纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的X射线衍射图。

图6.PI/PVP衍生的纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的拉曼光谱。

图7.（A）PI/PVP衍生的纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的电流密度-电压曲线和（B）导电率/电阻。

图8.（A）PI/PVP衍生的CNF、（B）CNF/MnO2-10、（C）CNF/MnO2-30和（D）CNF/MnO2-60的循环伏安曲线。

图9.PI/PVP衍生的纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的比电容，扫描速率为10 mV/s。

图10.（A）PI/PVP衍生的CNF、（B）CNF/MnO2-10、（C）CNF/MnO2-30和（D）CNF/MnO2-60的恒电流充放电曲线。

图11.CNF/MnO2-10复合材料的电容保持率与循环伏安和充放电测试循环次数的函数关系。

图12.纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的EIS分析的奈奎斯特图和等效电路图。

图13.PI/PVP衍生的纯CNF和核-壳型CNF/MnO2复合材料的Ragone图。

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文章来源：易丝帮