氟掺杂碳包覆氧化物负极材料在电容器中的应用

摘要

过渡金属氧化物和硅基电极材料往往具有较高理论比容量，因此被视为最具有发展潜力的锂离子电池负极材料。然而它们作为电极材料时存在的材料粉化、导电性差、循环性能不佳等问题，一般采取碳包覆或设计纳米结构的方法改进上述不足之处。本论文利用水相静电自组装法合成了两种氟掺杂碳包覆氧化物纳米颗粒复合材料，将它们作为锂离子混合超级电容器负极材料进行电化学测试。主要研究内容和结果如下所示： 1.通过水相静电自组装的方法制备了氟掺杂碳包覆氧化锰复合材料（MnO@FC），对其进行表征测试，确定复合材料中含有MnO且均匀地分散在碳材料中。掺杂的氟元素一方面能够增强材料导电性从而增强倍率性能，另一方面能提供部分赝电容增加复合材料比容量。将MnO@FC材料与锂片组装为半电池，以及将其作为负极材料与正极活性炭组装成混合超级电容器，在1mol L-1LiPF6（EC∶DMC=1∶1）电解液中进行电化学测试。通过测试可知，MnO@FC在0.1Ag-1电流密度下的可逆容量高达185mAh g-1，循环200圈后容量几乎没有衰减且具有较好的倍率性能。而混合超级电容器的电压窗口可达4V，MnO@FC//AC在0.2Ag-1电流密度下循环时由于MnO@FC进一步活化在前100圈容量逐渐增加，在后100圈容量保持率接近100%，后来在2Ag-1电流密度下稳定循环1000圈，说明该电容器具有良好的电化学循环性能。 2.在酸性条件下通过水相静电自组装的方法制备了五种不同氧化硅含量的氟掺杂碳包覆氧化硅复合材料（SiOx@FC）以及一种以葡萄糖作为前驱体的碳包覆氧化硅复合材料（SiOx@C）。在低SiOx含量时呈现疏松多孔的形貌，材料中以介孔为主，其中SiOx@FC-2的比表面积高达982.2m2g-1；而高SiOx含量时呈现大颗粒堆积的紧密结构，材料中含少量大孔。将材料组装为半电池及锂离子混合超级电容器并进行电化学测试，探究SiOx含量变化对于电化学性能的影响，它们在1mol L-1LiPF6（EC∶DMC=1∶1）电解液中进行电化学测试。SiOx@FC-2循环8000圈后容量保持率为74.98%，它与没有氟掺杂的复合材料相比容量更高、倍率性能更好，说明氟掺杂后材料的电化学性能得到较大提升。将其作为负极与本课题组合成的具有介微孔层级结构、高比表面碳材料RF-A或活性炭（Kuraray）组装为混合超级电容器，通过预嵌锂增强循环性能，比较两种混合超级电容器的电化学性能，其中SiOx@FC-2//RF-A在0.1Ag-1电流密度下可逆容量高达146.3mAh g-1且具有良好的倍率性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的结构

1.2.2 双电层电容

1.2.3 法拉第赝电容

1.2.4 对称与不对称超级电容器

1.3 混合超级电容器电极材料的研究进展

1.3.1 碳材料

1.3.2 金属氧化物

1.3.3 导电聚合物

1.3.4 元素掺杂复合材料

1.4 选题依据以及研究思路

第2章 氟掺杂碳包覆氧化锰材料合成及作为负极在混合超级电容器中应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 氟掺杂碳包覆氧化锰纳米颗粒复合材料（MnO@FC）的制备

2.2.3 材料表征测试

2.2.4 电极片的制备

2.2.5 电池组装及电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 氟掺杂碳包覆氧化锰纳米颗粒复合材料的合成与表征

2.3.2 电化学性能测试

2.4 本章小结

第3章 氟掺杂碳包覆氧化硅材料合成及作为负极在混合超级电容器中应用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 氟掺杂碳包覆氧化硅纳米颗粒复合材料（SiOx@FC）的制备

3.2.3 碳包覆氧化硅纳米颗粒复合材料（SiOx@C）的制备

3.2.4 高度有序的六方介孔碳的制备

3.2.5 材料表征测试

3.2.6 电极片的制备

3.2.7 电池组装及电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 氟掺杂碳包覆氧化硅纳米颗粒复合材料的合成与表征

3.3.2 高度有序六方介孔碳的合成与表征

3.3.2 电化学性能

3.4 本章小结

第4章 总结与展望

致谢

参考文献

硕士期间已发表的研究论文