DOI: 10.1021/acsaem.1c04076

自支撑电极对于具有高能量密度和长循环稳定性的锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）至关重要。研究者通过将MnO2纳米片同步原位喷涂到静电纺丝聚合物纳米纤维上来制备自支撑MnO2纳米片涂覆碳纳米纤维，这是一种高压电场诱导的组装过程。将所设计的薄膜用作LIBs和SIBs的负极材料，在LIBs中进行长时间循环后，其表现出良好的循环稳定性而没有容量损失，在1.00A/g下的容量可达256.4mAh/g，在0.05A/g下具有超过200次循环的极稳定循环寿命。用于SIBs时，在1.00A/g下的容量为135.0mAh/g，在0.50A/g下具有超过500次循环的稳定循环寿命。电容贡献率从44.4增加到76.2%（0.2-1.0mV/s），电容过程在总容量中起主要作用。电化学性能的提高可归因于碳纳米纤维网络的良好导电性和电极的一维（1D）/二维（2D）复合结构，其中充分利用了碳纳米纤维和MnO2纳米片的高性能。重要的是，原位喷涂和静电纺丝的结合可以扩展到两种或两种以上具有不同极性、ζ电位值或溶解度的材料上，从而拓宽复合材料的应用范围。

图1.MnO2纳米片（NSs）在碳纳米纤维（CNFs）上的原位组装过程示意图。将MnO2 NSs原位喷涂到电纺PAN纳米纤维上。将所得复合薄膜在Ar气流下碳化，然后形成MnO2 NSs@CNFs。

图2.（a）MnO2 NSs涂覆PAN纳米纤维复合材料的照片以及（b）MnO2 NSs@CNFs薄膜的照片。该薄膜是自支撑且具有柔性的。（c）尺寸相对均匀的MnO2 NSs的照片和TEM图像，（d）MnO2 NSs涂覆PAN纳米纤维复合材料的SEM；纤维相对均匀，平均直径为250nm，（e）MnO2 NSs@CNFs-1%的SEM图像；插图为MnO2 NSs覆盖粗糙表面的放大区域，由黄色圆圈标记，（f）MnO2 NSs@CNFs-1%的TEM和（g,h）HR-TEM图像，显示附着在非晶态碳上的2D MnO2 NS纳米晶体，以及（i）证实Mn、C和N元素存在的EDS映射。

图3.（a）MnO2 NSs@CNFs的拉曼光谱和（b）MnO2 NSs@CNFs的XPS光谱，（c）MnO2 NSs@CNFs的Mn2p和（d）Mn3s光谱，（e）MnO2 NSs@CNFs的C1s光谱，和（f）MnO2 NSs@CNFs的N1s光谱。

图4.（a）MnO2 NSs@CNFs在0.01-3.00V之间以0.1-2.0mV/s的扫描速率获取的循环伏安曲线，显示出活性材料的高稳定性和高可逆性，（b）第一个循环和第500个循环的循环伏安曲线，扫描速率为2.0mV/s，电压范围为0.01-3.00V（vs.Li/Li+），显示出MnO2 NSs@CNFs的电化学稳定性，（c,d）MnO2 NSs@CNFs的电容分离曲线以及在不同扫描速率下的电容贡献率。

图5.（a）MnO2 NSs@CNFs-1%、MnO2 NSs@CNFs-5%和裸CNFs的倍率性能；（b）LIBs用MnO2 NSs@CNF-1%的放电和充电曲线；（c）LIBs用MnO2 NSs@CNF-1%的循环性能。

图6.（a）SIBs用MnO2 NSs@CNFs-1%的倍率性能，（b）放电和充电曲线，以及（c）SIBs用MnO2 NSs@CNFs-1%的循环性能。