镍锰氧化物基纳米阵列的制备及电化学超电容性能研究

摘要

在未来的生活中，电化学超级电容器将与电池一样发挥着不可或缺的作用。超级电容器具有环境友好、功率密度高、循环稳定等优点，因此受到科学界广泛的关注与研究。根据电荷存储机理的不同，超级电容器可分为法拉第赝电容超级电容器和双电层超级电容器。过渡金属氧化物理论上具有较高的法拉第电容，因此经常被用做法拉第赝电容超级电容器的电极材料。而具有较大比表面积的碳材料则是典型的双电层电容器电极材料。本论文将设计具有纳米阵列形貌的超级电容器正极，并制备与之搭配的负极，然后组装成水系非对称超级电容器和全固态非对称超级电容器并研究其电化学性能，以期为提高超级电容器性能提供科学的参考。具体研究内容包括:
　　(1)利用水热合成方法在薄钛片基底上生长出Ni0.25Mn0.75O@C纳米阵列。首先在制备过程中，通过控制变量法来获得电极活性材料理想的实验制备和测试条件:盐酸处理过的钛片基底、Ni和Mn摩尔比为1∶3的前驱液、125℃的水热温度、Ar气氛450℃的退火环境、0-1.4V电压窗口、1 mol/L的LiCl电解质、0.25g/50mL水热原位碳修饰。结果表明，纯MnO在中性的水相LiCl溶液中具有0-1.4V的超高工作电压窗口。将镍元素引入到纯氧化锰中可以降低电极的电阻，提高离子扩散速率和克服结构的不稳定。而原位碳化修饰对Ni-Mn-O固溶体产生三个重要的影响:改善电极/电解质界面，减小纳米阵列的尺度，并使Ni0.25Mn0.75O@C具有多孔微结构。镍元素的引入和原位碳修饰极大改善了锰基氧化物的电化学性能，面积比电容从39.43mF cm-2(MnO)改善到242.86 mF cm-2(Ni0.25Mn0.75O@C)，提高了6倍。在循环稳定性方面，Ni0.25Mn0.75O@C不仅初始电容远高于MnO和Ni0.25Mn0.75O，而且经过500个循环后还保持89％的电容，5000次循环后仍有73％的保持率。
　　(2)在洁净的泡沫镍集流体上制备比容量可调控的活性炭负极并用来组装完整的超级电容器。经过一系列的实验测试和分析最终选择含1.46g/20mL活性炭的溶液制作负极。以Ni0.25Mn0.75O@C为正极、活性炭为负极，组装出高电压水系非对称超级电容器以及全固态非对称超级电容器器件。研究表明，两类器件均具有高工作电压窗口(0-2.4V)，优异的倍率性能，高循环稳定性和理想的电容行为。特别地，得益于0-2.4V的宽电压窗口和超薄特性（170.75微米），制各的全固态器件展现出优异的体积比电容(6.88 F cm-3)，高体积能量密度(4.72 mWhcm-3)和功率密度(776 mW cm-3)，以及超过5000次的循环寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器

1．2．1 超级电容器概述

1．2．2 超级电容器特点

1．2．3 超级电容器的储能原理及其分类

1．2．4 超级电容器的性能评估

1．3 本论文的选题思想和主要内容

第二章 钛片基底上Ni0．25Mn0．750@C纳米棱柱阵列正极的制备和电化学性能

2．1 引言

2．2 实验过程和表征手段

2．2．1 实验所用药品和试剂

2．2．2 实验所需器材

2．2．3 实验过程

2．2．4 主要表征和测试手段

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 活性物质的表征结果分析

2．3．2 电化学性能分析

2．3．3 不同退火温度对MnO制备实验的影响

2．3．4 Ni0．25Mn0．75O制备过程中不同实验因素的影响与不同测试条件下储能情况研究

2．3．5 不同碳修饰方法对Ni0．25Mn0．75O@C性能的影响

2．4 结论

第三章 Ni0．25Mn0．75O@C／／AC非对称超级电容器的制备和性能研究

3．1 引言

3．2 实验过程和表征手段

3．2．1 实验所用药品和试剂

3．2．2 实验所需器材

3．2．3 实验过程

3．2．4 主要表征和测试手段

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 AC负极的表征

3．3．2 泡沫镍基底AC材料性能选择与正负极搭

3．3．3 水系非对称超级电容器的电化学性能

3．3．4 全固态非对称超级电容器的电化学性能

3．4 结论

第四章 总结与展望

参考文献

致谢