多層次金屬氧化物超級電容器電極材料研究.pdf

1、超級電容器具有高功率和長壽命的優(yōu)點,但其能量密度較低。根據(jù)電容器的能量計算公式:E=1/2CV2,可以發(fā)現(xiàn)提高超級電容器的能量密度的有效方法是提高超級電容器的工作電壓(V)和電極材料的電容(C)。對于前一種方法可以通過有效的混合型超級電容器來實現(xiàn)。對于后一種方法則可以通過具有納米尺度或納米結(jié)構(gòu)的電極材料來實現(xiàn)。
　　 由于制備二氧化錳原材料成本相對較低,而且可以運用環(huán)境友好的水系電解液,所以二氧化錳作為電化學(xué)電容器的活性電極材料

2、已經(jīng)成為了研究熱點。本文中做了三方面的工作,一方面我們制備了二氧化錳納米片,逐層自組裝了二氧化錳/碳納米管薄膜電極,深入的研究了多層膜的結(jié)構(gòu)形態(tài),吸附順序?qū)Ρ∧る娮杪实挠绊?還有它們的電化學(xué)性能。同時關(guān)于多層膜中每一層膜對于多層膜的結(jié)構(gòu)影響和對于整體膜電極的電化學(xué)性能的影響,特別是碳納米管的影響做了深入的研究。第二部分研究了一種簡單方便的,可控的一步合成制備Na0.55Mn2O4·1.5H2O和Mn3O4納米結(jié)構(gòu)混合物電極材料,通過兩種

3、不同性質(zhì)物質(zhì)的混合,解決了Na0.55Mn2O4·1.5H2O循環(huán)壽命較短,長時間充放電電容量損失嚴重的缺點,同時也改善了Mn3O4電化學(xué)活性較低的缺點。最后采用生物質(zhì)作為碳源,高溫煅燒制備了活性碳材料作為電化學(xué)電容器的負極,利用前面制備的錳系混合材料作為電化學(xué)電容器的正極,在水系條件下組裝了鈉離子電化學(xué)電容器。詳細的研究內(nèi)容包括以下幾點:
　　 1.采用逐層自組裝的技術(shù)在導(dǎo)電玻璃基體上組裝了碳納米管和二氧化錳納米片的多層自支撐

4、薄膜。采用這種自組裝的方法,將碳納米管層成功的引入到了多層膜中,為多層膜提供了一種可控的自支撐結(jié)構(gòu),同時由于碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電性能,提高了電極的電導(dǎo)率,因此碳納米管層的出現(xiàn)能在致密的二氧化錳納米片薄膜內(nèi)部形成自支撐的結(jié)構(gòu),并且很大程度上提升了充放電過程中電子轉(zhuǎn)移的效率。由于碳納米管為多層膜提供了多孔的結(jié)構(gòu),相對于致密的二氧化錳納米片薄膜來說,更加有利于電子充分的進入到多孔的層間去,提高了充放電過程中的離子在材料表面的托吸附,也提高了離子

5、在薄膜材料內(nèi)部的嵌入和脫出。通過對這些多層膜電極的一系列的電化學(xué)性能的測試,說明了這些電極有著很好的電化學(xué)性能。通過測試,發(fā)現(xiàn)隨著多層膜中碳納米管層數(shù)的增加,電極的比電容和能量密度都隨之增加。這些結(jié)論也說明了碳納米管自支撐結(jié)構(gòu)對于多層膜電極的電化學(xué)性能影響深遠。
　　 2.研究了一種簡單方便的,可控相組成,納米結(jié)構(gòu)和形態(tài)的一步合成制備Na0.55Mn2O4·1.5H2O和Mn3O4(記作Na0.55Mn2O4·1.5H2O/Mn

6、3O4)納米結(jié)構(gòu)混合物電極材料的方法。通過電化學(xué)測試,該材料的在0.2 mA的電流密度下比電容達到了150 F/g。循環(huán)壽命分析也顯示了這種材料可以在1.2V的電化學(xué)工作窗口內(nèi)充放電上千次,并且在此過程中,電極材料的電容衰減很小,在之后的充放電過程中也幾乎保持了電化學(xué)電容性能的恒定。另外簡略的介紹了一種生物質(zhì)作為碳源,通過氯化鋅活性劑活化之后,在高溫下煅燒制備生物質(zhì)碳材料的工藝,通過電化學(xué)性能的測試該電極的電化學(xué)性能達到了80 F/g。

7、
　　 3.以層狀Na0.55Mn2O4/Mn3O4材料為正極,介孔活性炭為負極,以氯化鈉溶液為電解液成功的組裝了鈉離子電容器。通過電化學(xué)性能的測試,該鈉離子不對稱電容器顯示了很好的電化學(xué)性能,功率密度達到300W/kg的同時,能量密度也達到了30 Wh/kg,性能優(yōu)異。這也說明了該AC//Na0.55Mn2O4·1.5H2O/Mn3O4水系電化學(xué)電容器有很大的利用價值和很好的前景。另一方面由于該鈉離子電化學(xué)電容器成本低,杰出的