三維碳基過渡金屬氧化物復合材料的制備及儲能研究.pdf

1、伴隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展化石能源的消耗急劇增加并面臨枯竭，如何去開發(fā)新能源成為當前急需解決的難題。開發(fā)的新能源需要進行有效儲存，因此需要開發(fā)具備優(yōu)異儲能性能的器件。當前能源儲存器件種類繁多尤以鋰離子電池和超級電容器的研究最為關注，原因在于鋰離子電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度。但是兩者在比能量、比功率、壽命、安全性等方面存在不足，為了結合兩者的優(yōu)勢避免劣勢，各采用兩者中的一極組裝成鋰離子超級電容器：即陰極（陽極）發(fā)生嵌鋰反應，其對電

2、極發(fā)生離子的吸脫附過程。目前針對鋰離子超級電容器的研究主要分為正極和負極材料的開發(fā)：正極開發(fā)具有高比表面積的碳材料（介孔碳、三維石墨烯、碳氣凝膠等）；負極材料著重利用傳統(tǒng)的鋰電負極材料（如Li4Ti5O12、TiO2、SnO2、錳氧化物等）。其中負極材料尤以過渡金屬氧化物的研究為重點，其突破的難點在于如何去提升其自身導電性、與集流體接觸性、以及如何減少其嵌鋰過程中的體相變化。本論文從負極材料入手，選擇P25型TiO2和錳氧化物為基礎，通

3、過構建三維復合結構以此來改善過渡金屬的嵌鋰性能，并與商業(yè)活性炭構建從而得到具有優(yōu)異儲能性能的鋰離子超級電容器。其具體方法如下：
　?、貶TPC//AC的構建：通過控制不同的溫度氫化處理 P25，得到最佳 H-TiO2以此來增加材料主體的導電性；通過吡咯單體在常溫下的聚合來形成三維骨架結構，其形成既有利于TiO2的分散且增加材料的導電性、減少嵌鋰過程中的極化現(xiàn)象以及鋰離子的可逆性；利用SWCNTs穿插復合結構形成碳橋構建具有三維網(wǎng)狀

4、結構的復合材料（定義為H-TiO2/PPy/SWCNTs, HTPC），其極大地增加了材料的循環(huán)性能。通過儲能測試發(fā)現(xiàn)在電流密度在0.1A/g下50圈循環(huán)后可逆容量為213mAh/g（以 TiO2的質(zhì)量為標準），其比容量對比于原材料提高了2倍。將合成的復合材料與商業(yè)活性炭進行組裝成LICs后，通過測試表明HTPC//AC體系具有最大能量密度為31.3Wh/kg，最大功率密度為4kW/kg。通過循環(huán)性能測試可以發(fā)現(xiàn)在電流密度為0.5A/g

5、下其比容量循環(huán)3000圈后依然能保持77.8%（電壓區(qū)間為1.0-3.0V）。
　?、贛nOx/rGO//AC的構建：采用商業(yè)氧化石墨烯（GO）作為原料，通過調(diào)節(jié)KMnO4的加入量、控制水熱時間，得到具有高比表面積的三維層狀結構的MnOx/rGO復合材料；該合成方法簡單、綠色環(huán)保，得到具有優(yōu)異嵌鋰性能的復合材料。這一獨特的三維層狀結構能夠提供高的比表面以提升嵌鋰位點減少嵌鋰過程中的通道，同時得到的混合價態(tài)錳氧化物能夠提高復合材料的

6、可逆性。儲能測試結果表明：在電流密度為0.1A/g下（電壓區(qū)間為0-3.0V），50圈循環(huán)過后， MnOx/rGO-2的可逆容量仍然可以保持為750mAh/g，是單純石墨烯的兩倍（372mAh/g）。將三維層狀復合材料與商業(yè)活性炭組裝成鋰離子超級電容器之后，儲能測試表明MnOx/rGO//AC體系擁有最大的能量密度45.7Wh/kg，最大功率密度為5kW/kg；并且其循環(huán)3000圈后比容量依然能夠保持93.8%（電流密度為0.5A/g，