钒（锰）基氧化物纳米阵列柔性准固态超级电容器的研究

摘要

随着可穿戴电子设备和微型电子器件的快速发展，储能装置被提出了更高的要求，尤其是用于可穿戴电子设备的柔性储能器件被提出了更高的要求。相比于其他电化学储能装置，超级电容器具有快速的充放电能力，突出的循环性能和较高的功率密度，是目前最具应用前景的电化学储能装置之一。虽然目前以碳材料为主的基于双电层原理的超级电容器已经得到了商业化应用，但其比容量小和能量密度低的问题亟待解决。目前对新型电极材料的结构设计、表面修饰和掺杂改性成为了提高超电容电极材料电化学性能的基本途径。本论文设计并合成具有特定形貌的钒基和锰基氧化物超级电容器电极，通过改性和表面修饰等手段提高其电化学性能，且分别研究其在三电极体系和柔性超电容中的电化学性能及储能机理，期望能在提高超级电容器性能方面提供若干思路。本论文主要研究内容包括:
　　1.以10微米超薄钛片为基底，通过改进的水热反应得到均匀的VO2纳米片阵列，然后在VO2纳米片表面滴加葡萄糖溶液，高温退火得到均匀的V2O3@C复合纳米片阵列。碳包覆不仅可以增加金属氧化物电极的电导率，还可以进一步减少钒的氧化物在液相电解质中的溶解，提高电极材料的循环稳定性。V2O3@C复合纳米片阵列电极作为工作电极进行三电极体系测试的结果表明，V2O3@C复合纳米片阵列结合了纳米阵列结构和碳包覆的双重优势，可以极大地提高钒氧化物电极的功率密度和循环稳定性。
　　2.以10微米超薄钛片基底上的V2O3@C复合纳米片阵列分别作为正、负电极，氯化锂/聚乙烯醇(LiCl/PVA)凝胶作为电解质，组装成准固态柔性薄膜超级电容器。结果表明，由相同V2O3@C纳米片阵列电极及凝胶电解质构成的厚度仅为40微米的柔性薄膜超电容具有2.0 V的超高电压窗口，拥有超高的体积能量密度(最大值15.9 mWh cm-3)、功率密度（最大值6900 mW cm-3）以及良好的倍率和循环性能(6000次)。
　　3.对锰的氧化物进行改性和表面修饰。以10微米超薄钛片为基底通过水热法合成Ni0.25Mn0.75纳米棒阵列，然后表面包覆导电聚合物聚吡咯(PPy)得到Ni0.25Mn0.75O@PPy复合电极。并以Ni0.25Mn0.75O@PPy纳米棒阵列为正极，超薄钛片(10微米)基底上V2O3@C纳米片阵列为负极，LiCl/PVA凝胶作为电解质，搭配成高性能准固态柔性薄膜超级电容器。结果表明，该柔性超级电容器可以得到2.4 V的超高单体电压和非常突出的体积能量密度(26.8 mWh cm-3)，同时具有较好的机械柔性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超级电容器概述

1．3 超级电容器工作原理

1．4 超级电容器电极材料

1．4．1 超级电容器电极材料的选择要求

1．4．2 常见超级电容器电极材料的优缺点

1．5 本论文的选题思想和主要内容

第二章 超薄钛片基底上V2O3@C纳米片阵列的制备、性能及储能机理

2．1 引言

2．2 实验过程及表征手段

2．2．1 实验所用的试剂

2．2．2 实验所用的仪器

2．2．3 实验过程

2．2．4 主要表征手段

2．2．5 电化学测试

2．3 结果讨论及分析

2．3．1 V2O3@C纳米片阵列电极的表征

2．3．2 V2O3@C纳米片阵列电极的碳包覆优化

2．3．3 优化的V2O3@C纳米片阵列电极的电化学性能测试

2．4 结论

第三章 柔性准固态V2O3@C∥V2O3@C超级电容器性能研究

3．1 引言

3．2 实验过程及表征

3．2．1 实验所用的药品

3．2．2 实验所用的仪器

3．2．3 实验过程

3．2．4 主要表征手段

3．2．5 电化学测试

3．3 结果讨论与分析

3．3．1 超薄柔性超级电容器制作过程的图解

3．3．2 氯化锂/聚乙烯醇凝胶电解质电导率测试

3．3．3 准固态柔性电容器电化学测试

3．4 结论

第四章 高电压柔性准固态V2O3@C∥Ni0．25Mn0．75@PPy超级电容器性能研究

4．1 引言

4．2 实验过程及表征

4．2．1 实验所用的药品

4．2．2 实验所用的仪器

4．2．3 实验过程

4．2．4 主要表征手段

4．2．5 电容器组装和测试

4．3 结果讨论与分析

4．3．1 Ni0．25Mn0．75O@PPy正极的电化学测试

4．3．2 V2O3@C∥Ni0．25Mn0．75O@PPy准固态全电容电化学测试

4．4 结论

第五章 总结

参考文献

在校期间研究成果

致谢