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纳米结构Mn/Co金属氧化物超级电容器电极材料电化学性能研究

赵鹏  
【摘要】:近年来,随着新能源汽车和可穿戴电子产品的快速发展,对储能器件性能的要求也越来越高。新型储能器件不仅要求具有高的能量密度,同时也需要有高功率特性和长使用寿命。超级电容器的出现满足了商业产品对功率密度和使用寿命的要求,然而超级电容器低的能量密度限制了在一定程度上其商业应用。在保证自身的优势前提下,提高能量密度是目前超级电容器领域的研究热点。从能量密度计算公式可知超级电容器的能量密度主要取决于电极材料的比容量和电压窗口的大小,调控微观结构和提高导电性可以提高电极材料的比容量,选择合适的电极和组装成非对称电容器可以拓宽电压窗口。在此前提下,本论文围绕电极材料的调制和非对称超级电容器器件的组装,来提高超级电容器的能量密度。具体研究内容如下:(1)通过与导电碳纤维复合提高电极材料的导电性。先利用静电纺丝技术和相分离原理制备中空碳纳米纤维(HCNFs),然后通过水热法在HCNFs表面原位生长MnO_2纳米片,得到具有独特形貌的中空核壳结构MnO_2/HCNFs复合材料,其比表面积达到了151.9 m~2 g~(-1),比容量为293.6 F g~(-1)。将MnO_2/HCNFs复合材料用作正极材料,与多孔碳纳米纤维(PCNFs)组装成非对称超级电容器。器件的比容量为63.9 F g~(-1),且经过10000次循环充放电测试后,比容量保持率达到91.1%。器件的最大能量密度和最大功率密度分别为35.1 Wh kg~(-1)和8.78 kW kg~(-1),可以点亮红色LED灯,且持续发光超过5 min。可见,与导电材料复合,并采用合理的微观结构设计和形貌调控提高电极材料的比容量,进而获得高的能量密度。(2)通过与导电聚合物聚吡咯(PPy)复合提高电极材料的导电性。通过水热法制备了MnO_2纳米棒(MNR),采用气相聚合法在MNR表面均匀包覆了PPy薄膜,得到具有核壳结构的复合材料(PMNR)。经过5000次GCD测试后,PMNR复合材料的比容量保持率为89.5%,远高于MNR电极的36.2%。PPy高的导电性和良好的稳定性,使得PMNR电极具有比MNR电极更高的比容量和电化学稳定性。将N掺杂多孔碳材料(NPC)和无粘结剂的Fe_2O_3纳米片电极材料(Fe_2O_3@CF)作为负极材料,分别与PMNR组成非对称超级电容器,同时也组装了NPC//NPC对称超级电容器,并首次提出用海水作为电解液。三种超级电容器器件各具优势,PMNR//NPC的能量密度最大,PMNR//Fe_2O_3@CF的比容量最高,NPC//NPC的循环稳定性最好。(3)在导电基底上直接电沉积电化学活性物质,避免加入粘结剂,提高电极的导电性。通过阳极电沉积法和热处理方法,在碳布基底上均匀沉积具有3D网络结构Fe_2O_3纳米片,得到柔性Fe_2O_3@CF电极。实验证明,电沉积时间为10 min时,得到Fe_2O_3@CF-10电极具有最佳的电化学性能,可用于替代目前常用的碳基材料作为非对称电容器的负极材料。Fe_2O_3@CF-10电极与无粘结剂的MnO_2@CF电极组成柔性固态非对称电容器,在PVA/LiCl胶体电解质中,电压窗口达到1.8 V,体积比电容高达2.92 F cm~(-3),经过5000次循环充放电测试后容量保持率为91.3%。最大能量密度和最大功率密度分别为1.26 mWh cm~(-3)和462.6 mW cm~(-3),两个串联的柔性器件可以点亮20个并联的红色LED灯。同时,经过100次弯折实验后,器件的比容量保持率高达96%,体现出良好的柔性特征。(4)在导电碳布基底上直接电沉积电化学活性物质,并进一步结合导电聚合物修饰,提高电极材料的电化学性能。通过水热电沉积法在碳布上制备MnO_2纳米线,然后通过气相聚合法在MnO_2纳米线表面包覆一层PPy薄膜,得到核壳结构MnO_2/PPy纳米线,即MnO_2/PPy@CF电极。将聚合时间为15 min得到的MnO_2/PPy@CF-15电极作为正极与Fe_2O_3@CF-10电极组成柔性固态非对称电容器,在羧甲基纤维素钠盐与硫酸钠(CMC-Na_2SO_4)胶体电解质中测试,电化学窗口可达到2 V,体积比电容高达3.62 F cm~(-3),经过10000次循环充放电测试后容量损失仅为7.4%。柔性器件的最大能量密度和最大功率密度分别为1.93 mWh cm~(-3)和159.6 mW cm~(-3),两个串联的柔性器件可以点亮16个并联的红色LED灯。经200次弯折实验后,电容保持率高达95.8%。(5)通过N原子部分取代O原子增加电极材料中O-Co-N结构的电负性,在提高电极材料电导率的同时,进一步增加了电极材料的活性位点。采用电沉积方法在碳布上构建了Co_3O_4纳米片,Co_3O_4纳米片进一步在氨气条件下热处理,通过参数控制,制备了部分氮化的N-Co_3O_4纳米片电极材料。将N-Co_3O_4电极作为正极材料与Fe_2O_3@CF-10电极组装成柔性非对称超级电容器,在PVA/KOH胶体电解质中,柔性器件的比容量为111.6 F g~(-1),经过10000次充放电循环测试,容量保持率为93.8%,且最大能量密度和最大功率密度分别为39.7 Wh kg~(-1)和4.43 kW kg~(-1)。两个串联的柔性器件可以点亮一个红色的LED灯并持续发光超过5 min,并且经过100次弯折实验后比容量保持率高达95%。


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