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摘要：为了分析纤维素纳米材料在能源领域效果，研究选取自然界中的桉木浆进行纳米纤维素气凝胶材料的制备。其中采用纳米精磨法对原材料纤维丝进行处理，再通过碳化得到碳气凝胶材料，并将其应用于锂电池负极材料。在气凝胶材料纤维特征比较中，二次构建的碳气凝胶材料相比气凝胶材料其纤维直径更小，平均值为52.10nm。而在材料孔道分析中，二次构建的气凝胶材料总孔容以及比表面积要更大。将两种气溶胶用于锂电池的负极材料，结果表明，二次构建的碳气凝胶材料的抗衰性能要更好，这主要与材料的结构特征有关。可见，研究所制备的纳米纤维素材料在锂电池领域有良好的应用效果。研究内容将为锂电池技术的改进提供技术参考。
关键词：纤维素；纳米材料；气凝胶；锂电池；制备
0引言
纤维素作为自然界中分布最广、含量最多的一种多糖类物质，其在植物中有着广泛的存在，是构成植物细胞壁的重要成分[1]。而近年来，随着人们对纤维素优良性能的持续关注，人们已经从植物中成功提取出性能优异的纳米纤维素（nanocellulose，NC）。NC材料具有高比表面积、低密度、高弹性模量以及良好的可生物降解性等特点，这些特性使得该类材料在新型材料领域有着重要的应用价值[2]。
在纳米纤维素的应用研究中，通过纳米精磨法制备纳米原纤化纤维素（nanofibrillated cellulose,NFC）并进一步组装成具有3D网格孔道结构的气凝胶（NFCA）。NFC材料具有常规纤维素的基本结构和性能，此外，其具有的纳米尺寸效应使其表现出了更强的反应活性以及吸附性[3]。而有关学者对NFC材料进一步碳化处理，NFC物质可以转化为碳气凝胶（carbon aerogel，CNFA），其保留了原有NFC材料的3D网络结构，且还在其骨架上构建了更多的微孔和介孔，使得材料本身的比表面积和导电性有了大幅提升。这种多层级孔道结构的CNFA气凝胶材料也在新能源领域得到了广泛的应用，因此，研究为了对CNFA材料的性能进行研究，将通过纳米精磨法对其进行制备，并对其在锂电池领域性能效果展开分析。本文研究创新点在于结合纳米技术和材料科学成果来制备应用于锂电子领域的新型材料，保障材料制备的有效性。研究内容将为纳米纤维材料的应用以及锂离子电池的发展提供技术参考。
1实验材料与方法
1.1实验设备
傅里叶变换红外光谱仪：使用美国赛默飞世尔科技公司的Nicolet iS50型；拉曼光谱仪：选用法国HORIBA Scientific的LabRAM HR Evolution型；电池测试系统：采用武汉金诺电子有限公司的CT3001A型；透射电子显微镜：采用日本电子株式会社的JEM-2100F型；透比表面积分析仪：使用美国麦克仪器公司的Gemini VII 2390型；场发射扫描电子显微镜：选用日本日立公司的SU8220型；超级净化手套箱：使用德国米开罗那有限公司的MKSS1-1012B080型。
1.2实验药品
桉木浆（Eucalyptus pulps），海南金海浆纸业有限公司；氢氧化钾，默克化学试剂有限公司；N甲基吡咯烷酮，默克化学试剂有限公司；六氟磷酸锂，分析纯，默克化学试剂有限公司；乙炔黑，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚偏氟乙烯（PVDF），分析纯，东京化成工业株式会社所；氮气，纯度99.999%，法国液化空气集团所；透析袋，直径76 mm，美国Thermo Fisher Scientific公司。
1.3实验方法
NFC材料的制备：研究中采用纳米精磨法进行NFC材料的制备。首先，将桉木浆在去离子水中进行分散处理，进而得到了2.5%固含量的分散溶液。接着利用盘磨机对分散液进行初步的纳米纤丝化处理，该过程中设置盘磨机转速参数为2 000 r/min，此外需要设置磨盘间距，考虑材料特点实验设置为-20μm。经过盘磨处理后的分散液需要重新被倒入物料槽中，并进行重复研磨去纤丝化3次，以得到充分去纤丝化材料。接着，将经过盘磨处理的湿态纤维素再次均匀散开在去离子水中，从而获得新的水分散液，其质量分数为1.0%。
CNFA材料制备：将透析袋内放入刚制得的纤维素上清液，接着将其置于叔丁醇中进行24 h的置换处理，此期间使用磁力搅拌器对液体进行持续搅拌操作。等待置换结束后，收集剩余的悬浮液，其体积约为原体积的1/3，然后将其装入瓶中。
将装有悬浮液的瓶子放入超低温冰箱内保存，需要将温度维持在-80℃。随后将其放入冷冻干燥仪中，控制环境温度在-55℃,压力为10 Pa，从而获得干燥后的NFCA材料。接下来将获得的NFCA放于管式炉中，控制升温速度为2℃/min，将加热温度升高到250℃,并保温2 h。接下来，将材料放在氮气氛围下以5℃/min的升温速率继续升温至800℃,保温1h，进行得到最终的CNFA材料。另外，实验中将得到的CNFA材料放于管式炉中，采用氢氧化钾辅助进行碳化处理，这个过程中将氮气的流速控制到80mL/min，从而得到了具有孔道结构气凝胶（Carbon Nanofiber Aerogel-A,CNFA-A）。
2实验结果分析
2.1不同碳气凝胶处理下的骨架特征分析
研究中采用扫描电子显微镜对CNFA材料以及CNFA-A两种气凝胶材料的纤维特征进行分析，具体结果如图1所示。其中图1-1为CNFA材料的纤维直径分布图结果，根据原图像结果CNFA材料经过碳化后，其纤维直径有显著的减小，根据检测结果来看CNFA的平均直径为91.82 nm。而图1-2为CNFA-A材料的纤维直径分布图结果。CNFA-A材料是氢氧化钾辅助二次碳化所得到的材料。根据检测结果来看，经过二次构建的CNFA-A材料的纤维直径又进一步减小，根据材料直径分布情况来看，CNFA-A材料的纤维素平均直径为52.10 nm。且通过扫描电子显微镜观察，CNFA-A材料结构表明纤维纵横交错，并形成了网状式结构，而CNFA材料的纤维则以扁平状态呈现。
接着，将继续对两种气凝胶材料的结构孔径情况进行分析。为了方便有效评估两种气凝胶材料的孔道情况，研究采用N2吸附与脱附方法进行相关分析，具体结果如图2所示。根据2的结果来看，CNFA-A材料在总孔容上要明显高于CNFA材料，其中CNFA材料的比表面积为110.86 m2/g，而CNFA-A材料的比表面积为412.77 m2/g。CNFA与CNFA-A两种材料所对应的总孔容为0.283 cm3/g与0.404 cm3/g。可见，二次构建的CNFA-A材料在比面积以及总孔容上均要高于CNFA材料。
2.2锂电子性能比较
将制备的两种气凝胶材料用于锂电子的负极材料，并分析其锂电性能，具体如图3所示。其中，图3-1为电流密度为1 A/g，点位窗区间为0.01~3 V下的测试结果，共进行循环1 000次性能测试，测试结果可以看到，CNFA-A材料的比容量最高，为423 mA·h/g，要优于CNFA材料的301 mA·h/g。而接着采用不同倍率电流循环测试，根据结果来看，两种材料均具有良好的倍率性能，且电池比容量稳定。不过电流扩大，电池比容量下降，经过120次循环可以发现，CNFA-A材料比容量最多，这表明其相比CNFA-A具有更优异的抗衰能力，在锂电子领域具有良好应用优势。
3结语
纤维素在自然界中有着广泛的存在，其具有良好的材料性能，在各个领域有着广泛的应用。因此，为了分析纤维素纳米材料在锂电池负极材料中的性能效果，研究以桉木浆来制备纳米纤维素材料，通过对原材料的物理研磨去纤丝化处理，再进行碳化处理得到可用于锂电池负极材料的碳气凝胶材料。在气凝胶纤维特征比较中，CNFA材料纤维直径为91.82 nm，而CNFA-A材料为52.10 nm。且CNFA-A网状纤维结构使其总孔容以及比表面大于CNFA材料。将两种气凝胶材料用于锂电池负极材料中，通过比较分析发现CNFA-A材料的抗衰性更好，且循环1 000次后比电容高于CNFA材料。由此可说明网状结构纤维的CNFA-A材料在锂电池中具有良好的性能效果，有利于改进锂电池的综合性能。
参考文献
[1]宋亭，张丽媛，于润众.玉米秸秆纳米纤维素制备的工艺优化[J].现代食品科技，2022，38（1）：264-270.
[2]宿晓天，陈继飞，陈文刚.纳米纤维素制备及定向排列研究进展[J].功能材料，2023，54（8）：8014-8024.
[3]刘鹏涛，樊荣，汪文雪.纳米纤维素复合水凝胶的制备及其在食品工业中的研究进展[J].天津科技大学学报，2024，39（3）：1-8.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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基于纳米精磨法的纳米原纤化纤维素锂电池负极材料的制备及其性能研究论文
人参与 2025-04-03 10:30:46 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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