纳米材料二氧化锰和氧化锌在混合超级电容器中的研究

摘要

混合超级电容器是一种在性能方面集合了二次电池和超级电容器的各自优点的新型储能器件，具有高能量密度、高功率密度以及长循环寿命等优点，具有较好的应用前景。本论文首先对混合超级电容器的研究进展进行了综述，并就当前的研究发展趋势，提出了自己在这方面新的研究思路，然后通过电极材料制备、表征和电化学测试对自己的研究思路进行分析验证。主要研究内容和结果如下所示：
　　1.通过浸渍法制备出了二氧化锰和活性炭的复合材料，并对其进行表征测试，确定所制备的二氧化锰为水钠锰矿型α-二氧化锰，且二氧化锰很好的分散在活性炭材料的微孔结构中。然后将二氧化锰与碳材料的复合材料作为正极与含氮高度有序介孔碳材料为活性物质的负极组装成氢离子型混合超级电容器，在1M硫酸钠溶液中进行电化学测试。由于负极活性材料具有含氮官能团，该官能团具有使负极析氢电位更负的能力，另外正极材料的二氧化锰也具有使氧析出电位更正的能力，所以这大大提高了该电容器在水溶液中的工作电压窗口，达到了2.1V。另外根据能量密度公式E=1/2CU2可得，电压窗口的增大，使得能量密度得到了较大的提升，在100mA g-1的电流密度下进行充放电，所具有能量密度可达到40.8mAh g-1。（这里g指的都是正负极的总质量）另外，该电容器在100mA g-1充放电电流密度下循环了150个循环之后，容量基本保持不变，说明该电容器具有良好的电化学循环性能。
　　2.通过水热法制备出了纳米花球氧化锌，并通过800℃的高温煅烧获得高度晶化的纳米氧化锌，然后利用多巴胺在高度晶化纳米氧化锌表面进行自聚包覆再碳化，从而获得高度晶化纳米氧化锌与碳材料的复合材料。通过表征测试可知，所制备的高度晶化纳米氧化锌是一种颗粒尺寸在50-200nm的粒状六边纤维锌矿氧化锌，不仅成功的载入到聚多巴胺碳化后所得到的导电碳材料中，而且纳米氧化锌的颗粒大小以及结晶度基本保持不变。另外，对分别将高度晶化纳米氧化锌和高度晶化纳米氧化锌与碳的复合材料与锂片组装做成半电池，以及将它们作为负极材料，与正极活性碳材料组装成锂离子型混合超级电容器，在体积比为1:1的EC:DMC作为溶剂的1M六氟磷酸锂（LiPF6）电解液中进行电化学测试。通过测试可知，高度晶化的纳米氧化锌在通过碳包覆后，不仅在库伦效率、倍率性能以及循环性能方面得到巨大的提升，而且在100mA g-1的充放电电流密度下，包碳纳米氧化锌与活性炭组装成的混合超级电容器（ZnO/C//AC）的比能量是高度晶化纳米氧化锌与活性炭组装成的混合超级电容器（ZnO//AC）的4倍。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电化学电容器概述

1.2.1 电化学电容器的分类及其原理

1.2.2 电化学电容器的特点

1.3 电化学双电层电容器

1.4 法拉第赝电容器

1.4.1 金属氧化物基超级电容器

1.4.2 导电聚合物基超级电容器

1.5 混合型超级电容器

1.5.1 赝电容电极与碳电极组装成电容器的研究现状

1.5.2 电池型电极与碳电极组装成电容器的研究现状

1.6本论文的选题思路

第二章 氢离子型混合超级电容器

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 电极材料的制备

2.2.3 电极材料的表征

2.2.4 电极的制备及其电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 二氧化锰与碳的复合材料的表征及分析

2.3.2 含氮介孔碳的形貌表征

2.3.3 循环伏安及恒电流充放电测试

2.3.4 氢离子型混合超级电容器（N-HOMC//MnO2/AC）的储能机理

2.4 本章小结

第三章 锂离子型混合超级电容器ZnO/C//AC

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 包碳纳米氧化锌的制备

3.2.2 材料表征

3.2.3 电池的制备及其电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 所制备电极活性物质的表征与分析

3.3.2 半电池ZnO//Li和ZnO/C//Li的电化学测试与分析

3.3.3 锂离子超级电容器ZnO/C//AC的电化学测试与分析

3.4 本章小结

第四章 总结

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间参与发表的论文