纳米二氧化锰/碳材料复合电极材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

二氧化锰（MnO2）因其拥有高的电化学活性、极高的理论比容量，以及价格低廉和环境友好性等特点，在一次电池、超级电容器、金属-空气电池等储能器件中有着广泛的应用。然而，MnO2自身低的电导率限制了在应用条件下的实际比电容。纳米级的MnO2与高电导率的碳材料复合则可提高MnO2作为电化学活性物质的有效电极反应的比表面积以及电导率，从而获得电化学性能优异的电极材料。
　　本论文展开了纳米 MnO2与碳材料形成三元复合结构的电极材料的制备及其电化学性能研究，以及基于碳纳米管（CNT）薄膜的无粘结剂的柔性薄膜碱性锌锰电池的制备及其电化学性能研究的工作。主要研究结果如下：
　　通过水热法制备了直径为250 nm的碳球，利用碳与高锰酸钾（KMnO4）进行的化学反应，在其表面均匀包裹纳米MnO2，最终得到MnO2包裹量为95％的碳球-MnO2核壳结构。对碳球-MnO2进行聚二烯基丙二甲基氯化铵（PDDA）修饰，采用静电吸附的方式，均匀吸附一层羧基化碳纳米管（CNT）。其中20 wt%CNT的吸附量的碳球-MnO2-CNT(PDDA)复合材料相比于碳球-MnO2以及将碳球-MnO2分散在水溶液中与 CNT简单混合形成的碳球-MnO2-CNT(H2O)复合材料拥有更加优异的电化学性能。导电碳球为内核提高了内核电导率，CNT导电网络的引入则提高了MnO2的表面电导率，从而提高MnO2的利用率。该三元复合材料拥有高的比电容、优异的倍率性能以及结构稳定性。
　　多孔还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）包裹 CNT-纳米花状MnO2的核壳结构表面，该纳米结构可以有效的提高复合材料的表面电导率和内核电导率。区别于原始的rGO，多孔rGO在其表面的包裹不会阻碍电解液向内部复合材料的扩散，从而可有效提高在该复合电极中 MnO2的利用率。CNT-MnO2-多孔 rGO三元复合结构相比于 CNT-MnO2以及原始的 rGO包裹的CNT-MnO2结构，拥有更高的比电容以及倍率性能。
　　通过浮动催化法化学气相沉积（FCCVD）制备高导电的柔性CNT薄膜。以CNT薄膜为柔性基底，直接在其表面均匀负载电化学活性物质纳米级γ-MnO2和单质金属锌（Zn）。该柔性复合薄膜电极不包含其他导电填料，并以聚合物粘结剂作为隔膜组装厚度小于1 mm的柔性Zn-MnO2碱性一次电池。该柔性电池拥有高的比电容（225 mAh·g-1，0.5 C）以及优异的倍率特性（214 mAh·g-1，4 C）。另外，该电池拥有优异的柔性以及结构的稳定性。当弯折曲率半径达到2.5 cm时，放电容量可达268 mAh·g-1（0.5 C）。这可能是由于电解液与活性物质更为充分的接触，赋予该电池更加优异的放电性能。

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1. 绪论

1.1 引言

1.2 锰基氧化物在电化学储能器件电极材料中的应用

1.3 纳米二氧化锰/碳材料复合电极材料的制备与性质

1.4 选题依据、研究内容和创新点

2. 实验试剂、实验仪器和表征方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 表征方法

2.4 性能测试

3. 碳球-MnO2-CNT三元复合电极材料的制备及其电化学性能研究

3.1 实验方案

3.2 碳球的制备

3.3 碳球-MnO2结构的制备以及性能调控

3.4 碳球-MnO2-CNT结构的制备及其电化学性能表征

3.5 本章小结

4. CNT-MnO2-多孔rGO三元复合电极材料的制备及其电化学性能研究

4.1 CNT-MnO2结构的制备以及性能调控

4.2 不同反应时间对多孔rGO形貌结构的影响

4.3 CNT-MnO2-多孔rGO结构的制备及其电化学性能表征

4.4 本章小结

5. 基于CNT薄膜的柔性薄膜碱性锌锰电池的制备及其电化学性能研究

5.1 CNT薄膜基底的制备以及表征

5.2 阴极薄膜电极的制备

5.3 阳极薄膜电极的制备

5.4 柔性电池的封装及其电化学性能表征

5.5 本章小结

6. 结论

参考文献

硕士期间取得的成绩