錳基金屬氧化物及其復合材料超級電容器電極材料的制備與電化學性能研究.pdf

1、近年來，超級電容器以其高功率密度、快充放電速度、長使用壽命和高安全性，逐漸成為下一代能源裝置中最具潛力的儲能設備，能夠滿足時代發(fā)展所需的現(xiàn)代電子設備和能源系統(tǒng)。根據(jù)電荷存儲機理，超級電容器大致可以分成兩類，即使用碳基電極材料的雙電層超級電容器和使用具有氧化還原反應電極材料的贗電容超級電容器。到目前為止，對于贗電容超級電容器電極材料的研究主要集中在發(fā)展具有商用前景的過渡金屬氧化物，因為它們具有豐度高、價格低廉、環(huán)境友好的特點，特別是能為氧

2、化還原反應提供多種電荷價態(tài)，因而能夠獲得更高的能量密度和理論比電容值。由于不同的過渡金屬氧化物有著各異的微觀結(jié)構(gòu)和組分，在作為電極材料時，電極/電解液界面性質(zhì)和離子傳輸速率也不盡相同，因而電荷存儲能力具有本質(zhì)的差別。在這篇博士學位論文中，我們以多種不同微觀結(jié)構(gòu)的MnO2電極材料的制備為基礎，圍繞提高過渡金屬氧化物電極材料電化學性能所面臨的部分挑戰(zhàn)，逐步發(fā)展Mn基復合金屬氧化物電極材料，并探討其在實際應用中的影響因素。論文中的主要內(nèi)容概括

3、如下:
　　1、采用水熱法合成了長～40μm，寬～15nm的單晶α-MnO2超長納米線。通過改變表面活性劑合成了α-MnO2納米線和納米棒。利用TEM-STM樣品臺測試了單根MnO2納米線和納米棒的原位電學性能，結(jié)果表明MnO2納米線的導電性優(yōu)于納米棒，在-5～5V電壓變化范圍內(nèi)，電流變化范圍為-252.5～206.7nA，高于納米棒（-122.3～92.3nA）。對比三種MnO2電極材料，超長納米線的電化學性能最為優(yōu)異，1A/g

4、的電流密度下，其比電容值達到了345F/g，電流密度增大10倍時比電容仍然能保持54.7％。
　　2、采用恒電流沉積法在泡沫鎳基底上生長了長約數(shù)微米，寬8～10nm的α-MnO2超細納米帶。通過改變測試溫度，探討了0℃、25℃和50℃下超細納米帶電極材料的電化學性能。發(fā)現(xiàn)在50℃時性能最為優(yōu)異，200mA/g電流密度下比電容達到了509.5F/g，遠高于0和25℃下的電容值。此外，50℃時也表現(xiàn)出較好的倍率性能，當掃描速度增加10

5、0倍時，能夠保持初始比電容值的39.1％。通過變溫下5000次的長循環(huán)穩(wěn)定測試，發(fā)現(xiàn)MnO2超細納米帶最終仍然能夠保留91.3％初始電容量，證明所制備的超細納米帶具有良好的抗溫變效應。
　　3、設計并通過分步可控電沉積法將MnO2納米片或納米棒生長在Au包覆的Co3O4多孑孔納米墻陣列上，形成Co3O4@Au@MnO2三維層狀異質(zhì)結(jié)。由于其獨特的自組裝結(jié)構(gòu)和特征，即Co3O4多孔納米墻、超薄MnO2納米片以及夾在中間的高導電Au層

6、，使得每一部分都為其用于能量儲存提供所需的重要作用。合成的三維層狀異質(zhì)結(jié)電極材料具有優(yōu)異的電化學性能，如高比電容(10mV/s時電容為851.4F/g，1A/g電流密度時為1532.4F/g)，高倍率性能以及優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性（5000圈循環(huán)測試后幾乎沒有衰減），因此該材料在高性能超級電容器中具有很好的應用前景。
　　4、采用水熱法合成了平均直徑為4-6μm的海膽狀MnCo2O4.5前驅(qū)體，400℃煅燒后獲得立方相MnCo2O4.