静电纺丝法制备含钴纳米纤维及其电化学性能的研究
摘要：超级电容器，又称电化学电容器，以其功率密度和能量密度高，充放电速度快，循环寿命长，使用温度宽泛等特点而受到人们极大的关注。电极材料是超级电容器的核心，因此很多研究工作都是围绕着开发高性能的电极材料进行的。纳米纤维具有比表面积大，弯曲模量低，柔顺性好等特性，这些优异的性能使得纳米纤维在超级电容器电极材料方面有着良好的应用。静电纺丝法是利用聚合物溶液或熔体在电场作用下纺丝，得到各种纳米纤维的技术。这种方法操作简便，得到的纳米纤维粒径可控，是一种很有发展前景的制备纤维的技术。
关键词：超级电容器 纳米纤维 静电纺丝
- 引言
超级电容器由于具有较高的比容量、良好的充放电性能、较长的循环寿命、以及可观的功率密度和能量密度等优点1-4，在新型储能装置的研究方面具有诱人的前景。超级电容器是一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型储能器件。与传统电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度，与锂离子电池相比，它的功率密度更有优势。超级电容器在能源备份系统、便携式电子设备、混合动力车等要求高能量密度的设备中正发挥着重要作用5-6。依据储能机理的不同，可以将超级电容器分为双电层电容器、法拉第赝电容电容器。其中双电层电容器的电极材料一般为碳材料，法拉第赝电容电容器一般使用金属氧化物电极材料与聚合物电极材料。
在超级电容器电极材料中，碳纳米纤维有着高机械强度、大比表面积以及可以与石墨相媲美的导电性、导热性和热稳定性等优点，因此常被用作载体。将过渡金属盐溶液与可纺溶液混合，直接通过静电纺丝法和热处理可以制得过渡金属氧化物/碳纳米纤维复合物，这种复合纤维结合了碳纤维和过渡金属氧化物的优点，提高了电极材料的电化学性能。
- 静电纺丝法
2.1静电纺丝法的基本原理
在静电纺丝工艺中对高分子溶液或熔体施加高压静电，相同的电荷分布在液体表面，电荷相斥导致了电场力与表面张力的方向相反。当电场力与表面张力大小相等时，带电的聚合物液滴在毛细管顶端悬挂。电场力逐渐增大，克服表面张力后会将半球状的液滴拉成圆锥状，即Taylor锥。当电压超过一定范围后，在Taylor锥顶端就会形成射流。射流在电场力作用下向接地的接收装置运动，在此过程中射流经历溶剂挥发，不稳定拉伸，最终固化形成纤维状物质并以无纺布的形式落在接收装置上。
2.2静电纺丝的装置
静电纺丝的装置主要包括三部分：高压电源、纺丝头和接收装置。其中，高压电源可以选择交流电或者直流电，广泛应用的是直流电。如无特殊要求接收装置多为接地的表面光滑而且具有良好导电性的铝箔。普通的纺丝头为顶端呈毛细管状的玻璃管或注射器，还可添加流量控制器以控制溶液的添加速率。
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