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多层次金属氧化物超级电容器电极材料研究

王康  
【摘要】:超级电容器具有高功率和长寿命的优点,但其能量密度较低。根据电容器的能量计算公式:E=1/2CV~2,可以发现提高超级电容器的能量密度的有效方法是提高超级电容器的工作电压(V)和电极材料的电容(C)。对于前一种方法可以通过有效的混合型超级电容器来实现。对于后一种方法则可以通过具有纳米尺度或纳米结构的电极材料来实现。 由于制备二氧化锰原材料成本相对较低,而且可以运用环境友好的水系电解液,所以二氧化锰作为电化学电容器的活性电极材料已经成为了研究热点。本文中我们做了三方面的工作,一方面我们制备了二氧化锰纳米片,逐层自组装了二氧化锰/碳纳米管薄膜电极,深入的研究了多层膜的结构形态,吸附顺序对薄膜电阻率的影响,还有它们的电化学性能。同时关于多层膜中每一层膜对于多层膜的结构影响和对于整体膜电极的电化学性能的影响,特别是碳纳米管的影响做了深入的研究。第二部分我们研究了一种简单方便的,可控的一步合成制备Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O和Mn_3O_4纳米结构混合物电极材料,通过两种不同性质物质的混合,解决了Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O循环寿命较短,长时间充放电电容量损失严重的缺点,同时也改善了Mn_3O_4电化学活性较低的缺点。最后采用生物质作为碳源,高温煅烧制备了活性碳材料作为电化学电容器的负极,利用前面制备的锰系混合材料作为电化学电容器的正极,在水系条件下组装了钠离子电化学电容器。详细的研究内容包括以下几点: 1.我们采用逐层自组装的技术在导电玻璃基体上组装了碳纳米管和二氧化锰纳米片的多层自支撑薄膜。采用这种自组装的方法,我们将碳纳米管层成功的引入到了多层膜中,为多层膜提供了一种可控的自支撑结构,同时由于碳纳米管优良的导电性能,提高了电极的电导率,因此碳纳米管层的出现能在致密的二氧化锰纳米片薄膜内部形成自支撑的结构,并且很大程度上提升了充放电过程中电子转移的效率。由于碳纳米管为多层膜提供了多孔的结构,相对于致密的二氧化锰纳米片薄膜来说,更加有利于电子充分的进入到多孔的层间去,提高了充放电过程中的离子在材料表面的托吸附,也提高了离子在薄膜材料内部的嵌入和脱出。通过对这些多层膜电极的一系列的电化学性能的测试,说明了这些电极有着很好的电化学性能。通过测试,我们发现随着多层膜中碳纳米管层数的增加,电极的比电容和能量密度都随之增加。这些结论也说明了碳纳米管自支撑结构对于多层膜电极的电化学性能影响深远。 2.我们研究了一种简单方便的,可控相组成,纳米结构和形态的一步合成制备Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O和Mn_3O_4 (记作Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O/Mn_3O_4)纳米结构混合物电极材料的方法。通过电化学测试,该材料的在0.2 mA的电流密度下比电容达到了150 F/g。循环寿命分析也显示了这种材料可以在1.2V的电化学工作窗口内充放电上千次,并且在此过程中,电极材料的电容衰减很小,在之后的充放电过程中也几乎保持了电化学电容性能的恒定。另外我们简略的介绍了一种生物质作为碳源,通过氯化锌活性剂活化之后,在高温下煅烧制备生物质碳材料的工艺,通过电化学性能的测试该电极的电化学性能达到了80 F/g。 3.我们以层状Na_(0.55)Mn_2O_4/Mn_3O_4材料为正极,介孔活性炭为负极,以氯化钠溶液为电解液成功的组装了钠离子电容器。通过电化学性能的测试,该钠离子不对称电容器显示了很好的电化学性能,功率密度达到300 W/kg的同时,能量密度也达到了30 Wh/kg,性能优异。这也说明了该AC//Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O/Mn_3O_4水系电化学电容器有很大的利用价值和很好的前景。另一方面由于该钠离子电化学电容器成本低,杰出的电化学充电效率和原材料的简单的制备过程,很有希望为纯电动汽车和其它一些需要能量密度和功率密度的设备提供有效地能源。此外,我们采用Na_(0.55)Mn_2O_4·1.5H_2O/Mn_3O_4和活性炭材料在水系条件组装的电容器在钠离子的脱嵌过程中循环寿命良好,这也为钠离子在水系条件下的充放电脱嵌提供了新的研究领域。


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