摘要：纤维结构具有良好的韧性和导电性能，在电池负极材料上得到广泛应用。为此通过电纺丝沉积的方式制备碳纳米纤维材料，并通过实验测试的手段开展微观组织和光谱性能分析。研究结果表明：适当增加镍片与电纺丝距离有助于碳纳米纤维形成，经过3 min烧结后获得有限数量碳纳米纤维，大部分以颗粒状态存在。纤维内部存在C、Ni、O以及微量的Li元素，成功生产出富含碳的纳米纤维。N2吸附与解吸曲线表现为典型的Ⅱ类等温吸附特点，孔径集中分布在9.2 nm附近。碳纳米纤维拉曼光谱形成了明显的D带与G带，D带峰值出现在约1 327 cm-1处，G带在1 587 cm-1位置显现出强度。该研究有助于提高电池对碳纳米纤维的认识，为后续的性能进一步优化奠定一定的理论基础。

　　关键词：乙醇电纺丝法；碳纳米纤维；表面改性；性能分析

　　0引言

　　碳纤维可以形成螺旋卷绕形态，相比直线碳纳米管在机械和光学方面具有更优异的性能，这使其成为当前的一种新型碳材料，广泛应用于电池负极材料上。微米级螺旋纤维因具备丰富微孔结构而获得很大比表面积，因此可以在半导体与储能领域实现高比容量的储能效果。

　　相关碳纳米纤维制备方面的研究吸引了很多的学者，取得了一定的研究成果。刘超然等采用静电纺丝法制备多通道碳纳米纤维原丝，通过三电极体系测试材料电化学性能，促进碳纳米纤维中多条通道和多孔结构的形成，具有良好的储能特性和循环稳定性。张惠中等采用静电纺丝技术制备聚丙烯腈纳米纤维，通过碳化工艺处理多孔碳纳米纤维电极材料，碳纳米纤维电极孔隙率在一定程度上提高双电层电容，实现更高离子吸附量。

　　但考虑到碳纤维表面没有高活性官能团，具有明显的惰性，无法在多种溶剂中形成均匀分散状态。同时由于碳纤维间会形成很强的范德华力，对其应用范围也造成了一定的限制，需要通过对其表面进行改性以提高其表面性能，进而增强分散能力。本文采用静电纺技术进行处理，通过实验研究确定了最佳工艺参数，制得了具有均一结构的碳纳米纤维。

　　1实验部分

　　本文采用0.5 mm厚的商用镍薄板作为测试对象，通过切割得到2 cm×2 cm的正方形薄片，先利用丙酮对其表面超声波冲洗15 min，确保表面杂质被完全去除，然后将其置于60℃烘箱内进行干燥。本文选择乙醇作为溶剂，并以五水氯化锂作为原料，制备得到三种不同的锂盐酒精溶液，控制质量含量分别为60%、70%与80%。将50μL锂盐溶液滴到干燥镍板上，然后涂布至均匀分布状态[7]。将镀好后的镍板置于90℃烘箱中，充分蒸发溶剂。将镀有锂盐溶液的镍晶片进行静电纺丝，使镍晶片和静电纺丝底部间距等于镍片-电纺丝间距Dy，分别为1、1.5、2 cm，再把时间设置在3、9、15 min。

　　2结果及分析

　　2.1微观组织分析

　　图1显示了在设定镍片和电纺丝距离的条件下，对碳纳米纤维进行观察得到的SEM图像。观察图1可以发现，适当增加镍片与电纺丝距离后，有助于碳纳米纤维的形成，从而获得更高的产量。但无论是距离过短还是过长，均会导致纤维均匀性下降。当镍片与电纺丝的间距过近时，可以发现碳原子大量聚集到了催化剂表面，并未生成螺旋状结构，进而产生非均一结构的碳纤维。反之，若两者间隔过大，则仅有微量碳原子能进入基底，当电纺温度下降后，则会形成许多无定形碳。

　　图2是经过不同烧结时间处理得到的碳纳米纤维微观结构SEM图像。根据图2可知，经过3 min烧结后，只获得了有限数量碳纳米纤维，此时只有少部分碳原子发生沉积，大部分以颗粒状态存在。随着烧结时间延长后，碳纳米纤维的分布也更加均匀。在上述过程中，催化剂表面积累形成更多碳原子，之后形成螺旋状纤维。但当烧结时间超出最优范围后，碳纳米纤维均匀性则会出现降低。这是由于过多的碳原子发生沉积会增加无定形碳含量。基于上述实验数据，可以确定乙醇电纺丝法制备碳纳米纤维的优化参数为：锂含量保持在70%，镍片与电纺丝距离控制在1.5 cm，控制烧结时间为9 min。

　　对碳纳米纤维实施EDS表征获得各元素比例，具体测试参数见表1。通过实验研究测试可知，这些纤维内部存在C、Ni、O以及微量的Li元素。其中，碳占据了主导地位，其质量分数高达92.1%，原子分数则达到95.3%。相比之下，镍（Ni）和锂（Li）的含量都很少，质量分数均低于0.3%，原子分数低于0.1%，由此证实电纺丝方式可以成功生产出富含碳的纳米纤维。

　　之后对碳纳米纤维进行XRD表征，结果如图3所示。可以发现，以电纺技术制备的纤维中含有C与LiO成分。但根据表1数据可明显看出，LiO含量极低。对XRD图谱进行分析发现，二个相对宽广峰分别出现在25°和43°,依次对应石墨的（002）晶面和（100）晶面衍射峰。

　　2.2光谱分析

　　图4是采用氮气吸附技术对静电纺丝制备的碳纳米纤维进行空隙率测试得到的N2吸附与解吸曲线，表现为典型的Ⅱ类等温吸附特点。通过深入解析并由密度泛函理论（DFT）进行计算得到该材料孔径集中分布在9.2 nm附近，且其孔隙体积在微孔与介孔之间分别达到0.094和0.213，由此表明材料中的微孔与介孔广泛存在。

　　图5是对碳纳米纤维实施拉曼光谱分析得到的谱图，形成了明显的D带与G带，分别对应无规律分布结构信号与有序排列的石墨化结构特征。具体而言，D带峰值出现在约1 327 cm-1处，该特征位置源自于碳纳米管内部石墨片层中出现的空位缺陷以及原子替换后引发的晶格振动偏离布里渊区中心所引起，而G带则在接近1 587 cm-1位置显现出强度，这是由碳原子在平面内振动所产生的特征峰，也是石墨结构的独特标识，该结果证实了材料中包含了石墨化成分。

　　3结论

　　本文开展电池负极材料上电纺丝沉积碳纳米纤维结构和性能分析，取得如下有益结果：

　　1）适当增加镍片与电纺丝距离有助于碳纳米纤维形成，经过3 min烧结后获得有限数量碳纳米纤维，大部分以颗粒状态存在。纤维内部存在C、Ni、O以及微量的Li元素，成功生产出富含碳纳米纤维。

　　2）N2吸附与解吸曲线表现为典型的Ⅱ类等温吸附特点，孔径集中分布在9.2 nm附近。碳纳米纤维拉曼光谱形成了明显的D带与G带，D带峰值出现在约1 327 cm-1处，G带在1 587 cm-1位置显现出强度。

       参考文献

　　[1]魏阿静，李运涛，马忠雷.柔性可拉伸硅橡胶 多壁碳纳米管/硅橡胶可穿戴应变传感纤维[J].复合材料学报，2020，37（8）：2045-2054.

　　[2]郑勰，查刘生.超快温度响应性纳米纤维水凝胶的制备及其用于药物的可控释放[J].材料研究学报，2020，34（6）：452-458.

　　[3]刘超然，徐大为，廖永超，等.多通道碳纳米纤维的制备及其在超级电容器中的应用[J].林产化学与工业，2024，44（3）：1-10.

　　[4]张惠中，田家宇，李健生，等.多孔碳纤维电极材料的制备及电容去离子性能研究[J].南京理工大学学报，2024，48（1）：104-111.

　　[5]罗超云，王华斌，朱贱生，等.碳纤维协同碳纳米管改性聚乳酸的性能研究[J].塑料工业，2020，48（5）：37-39.

　　[6]侯思羽，孙玉平，上媛媛，等.碳纳米管/聚乙烯醇空心螺旋纤维的可控制备及其力学性能研究[J].人工晶体学报，2020，49（5）：861-866.

　　[7]李莉萍，吴道义，战奕凯，等.电泳沉积碳纳米管和氧化石墨烯修饰碳纤维表面的研究进展[J].纺织学报，2020，41（6）：168-173.

　　[8]成骏峰，曹峥，吴盾，等.聚乙烯/多壁碳纳米管复合纤维的制备及性能[J].常州大学学报（自然科学版），2020，32（3）：11-17.