DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108212
本文報告了基于二氧化錳（MnO2）涂覆聚酰亞胺（PI）衍生的碳納米纖維（CNF）的核-殼型復合材料的微結構和電化學性能，這類材料有望用作自立式和無粘合劑的超級電容器電極材料。為此，通過對PI前驅體與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）進行靜電紡絲，將初生納米纖維亞胺化，將PI/PVP納米纖維碳化成純CNFs，在0-60分鐘的不同浸漬時間下，用MnO2涂覆純CNFs，制備了一系列核-殼型CNF/MnO2復合材料。核-殼型CNF/MnO2復合材料的拉曼光譜、X射線衍射和電子顯微鏡分析表明，MnO2納米晶須被良好地包覆在具有渦輪層石墨結構的CNFs上，并且其涂層厚度隨浸漬時間的增加而增加。隨著MnO2涂層厚度的增加，電導率從純CNF的3.6 S/cm降低到CNF/MnO2復合材料的1.6 S/cm。由于協同作用，在浸涂時間為10分鐘時制備的核-殼型CNF/MnO2復合材料表現出最大的電化學性能，例如在10 mV/s下的比電容約為456 F/g，能量密度約為17.8 Wh/kg，功率密度約為320 W/kg。在3000次充放電試驗后，除具有良好的工作穩定性外，電容保持率可達95.8％。
圖1.通過靜電紡絲、酰亞胺化、碳化和浸涂步驟制備核-殼型CNF/MnO2復合材料的示意圖。
圖2.氮氣氣氛下以10℃/min的升溫速率獲取初生PAA/PVP納米纖維的TGA曲線。
圖3.（A）PAA/PVP納米纖維、（B）PI/PVP納米纖維、（C）PI/PVP衍生的CNF、（D）CNF/MnO2-10、（E）CNF/MnO2-30、（F）CNF/MnO2-60的SEM圖像。
圖4.核-殼型CNF/MnO2復合材料的TEM圖像：（A）CNF/MnO2-10；（B）CNF/MnO2-30；（C）CNF/MnO2-60。
圖5.PI/PVA衍生的純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的X射線衍射圖。
圖6.PI/PVP衍生的純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的拉曼光譜。
圖7.（A）PI/PVP衍生的純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的電流密度-電壓曲線和（B）導電率/電阻。
圖8.（A）PI/PVP衍生的CNF、（B）CNF/MnO2-10、（C）CNF/MnO2-30和（D）CNF/MnO2-60的循環伏安曲線。
圖9.PI/PVP衍生的純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的比電容，掃描速率為10 mV/s。
圖10.（A）PI/PVP衍生的CNF、（B）CNF/MnO2-10、（C）CNF/MnO2-30和（D）CNF/MnO2-60的恒電流充放電曲線。
圖11.CNF/MnO2-10復合材料的電容保持率與循環伏安和充放電測試循環次數的函數關系。
圖12.純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的EIS分析的奈奎斯特圖和等效電路圖。
圖13.PI/PVP衍生的純CNF和核-殼型CNF/MnO2復合材料的Ragone圖。
