高性能Co-Mn微/纳米超级电容器电极材料的研究

摘要

化石燃料的存储有限和温室效应的影响使人们不得不开始寻求可持续、清洁可再生的能源转换和存储设备。超级电容器是一种新兴的储能元件，能量密度虽然不如锂电池，但是因为功率密度大，循环寿命长，充电时间短，被认为是补充锂离子电池市场空缺的潜在设备。目前报道的超级电容器电极材料中，混合过渡金属氧化物及其复合电极材料具有高的导电能力和比电容而被广泛关注。本论文设计制备了系列Co-Mn复合氧化物微/纳米材料，并对其赝电容行为进行了研究，同时，针对目前涂覆型电极的性能较差的情况，进行了电极活化的探索。
　　首先，发现了CV循环对电极具有活化作用，具体研究了活化方式对泡沫镍网电极和CoMn2O4/Ni电极的影响。在100mV·s-1扫描速率下，于0-0.8V的电压窗口内，连续循环伏安扫描4000至5000圈的活化效果最佳。泡沫镍网电极在1mA·cm-2电流密度下的容量由初始的0.52F·cm-3(10.4mF·cm-2)提升到12.4F·cm-3(48.0mF·cm-2)。尽管泡沫镍网容量虽然有较大提高，但泡沫镍裸电极的倍率性能却不佳。通过负载上CoMn2O4微球可改善倍率性能。经过活化5000个循环后，CoMn2O4/Ni电极在1mA·cm-2电流密度下的容量由初始的42.5F·cm-3(2.12mF·cm-2)提升到308.8F·cm-3(15.4mF·cm-2)，倍率性能明显提升。活化提升容量主要是由于阳极氧化形成了Ni(OH)2层，以及金属氧化物的形貌变化。
　　其次，在Ni网上通过水热共沉淀法直接生长Co-Mn碳酸盐前驱体，经过350℃煅烧后得到CoMn2O4纳米片电极，研究了反应时间和NH4F对前驱体生长的影响。得益于在集流体上的直接生长、多孔结构和开放的电极材料内部空间，CoMn2O4/Ni电极显示出良好的电化学性能，在2A·g-1电流密度下的容量为1529F·g-1，与CoMn2O4电极的理论电容1507F·g-1接近。3000次循环后容量保留率高达102％。
　　最后，研究了离子配比不同对钴锰碳酸盐在金属基底上的生长方式的影响，发现当提高原料中的Co含量时，产物由纳米片向高结晶度多面体颗粒的转化时间缩短，同时其产物形貌也有所差异，表明在金属基底表面的碳酸盐阵列的生长有其特殊的规律。所制备的MnCo2O4.5/Ni电极在1mA·cm-2的电流密度下，面积比电容为934.5mF·cm-2，3000次连续充放电后，容量保持率为80.9％。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 超级电容器的应用背景

1．2 超级电容器的分类

1．2．1 双电层电容器

1．2．2 赝电容电容器

1．2．3 混合型电容器

1．3 超级电容器的电极材料

1．3．1 碳基材料

1．3．2 导电聚合物

1．3．3．过渡金属氧化物及其复合物

1．4 本论文的主要内容

第二章 实验室所用药品和表征技术

2．1 实验药品材料

2．2 材料的物性检测

2．2．1 X射线衍射

2．2．2 扫描电镜

2．2．3 透射电子显微镜

2．2．4 X射线光电子能谱仪

2．2．5 比表面和孔径分布测试

2．3 电性能测试

2．3．1 循环伏安测试

2．3．2 恒流充放电测试

2．3．3 交流阻抗测试

第三章 泡沫镍和CoMn2O4／Ni电极的制备及活化的研究

3．1 引言

3．2 实验方法和过程

3．2．1 镍网的电活化

3．2．2 CoMn2O4／Ni电极的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 镍网的活化

3．3．2 CoMn2O4／Ni电极的活化

3．4 小结

第四章 无粘结剂CoMn2O4纳米片阵列电极的研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 材料的物性表征

4．3．2 生长机理的分析

4．3．3 电化学性能测试

4．3．4 CoMn2O4纳米片／泡沫镍电极活化研究

4．4 小结

第五章 无粘结剂MnCo2O4．5阵列电极的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 物相分析

5．4 反应时间的影响

5．5 电化学测试

5．6 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文