钠离子嵌入型二氧化锰纳米片的设计、表征与电化学性能

摘要

随着能源需求的不断增长，探索具备优良性能的新型清洁能源材料已成为当今的一个挑战。二氧化锰，作为一种超级电容器赝电容材料，由于其具有高容量、低成本、环境友好等优点，已逐渐成为世界范围内的广泛研究。
　　 然而，在二氧化锰超级电容器的研究中也存在着一些问题:首先，其作为超级电容器的能量密度仍然不能满足实际应用的需求;其次，尽管其电化学性能如功率密度和循环性能已经非常好，但是在实际一些要求苛刻的应用中，其性能仍有待于进一步改进;最后，根据当前的研究，二氧化锰在法拉第充放电过程中伴随着氧化还原反应发生，然而，在实际循环伏安测试中并没有观察到对应的氧化还原峰。
　　 在本文中，为了改善二氧化锰晶体间的离子扩散从而在硫酸钠溶液中获得更好的电化学性能，本工作采用在高离子浓度比(Na+∶Mn2+=100:1)的条件下进行电化学沉积，实现了二氧化锰晶体层间嵌有钠离子的NaxMnO2(x≥0.7)相。通过对沉积产物的XRD物相分析，本文提出了电化学沉积过程中的离子嵌入机理。这种在镍基片上电化学沉积获得的NaxMnO2/MnO2纳米片电极表现出了比α-MnO2纳米线、C-MnO2三维纳米球、LixMn2O4纳米片更好的电化学性能。在使用1M硫酸钠溶液作为电解液时，循环伏安测试表明，首次观察到了氧化还原峰，并进一步揭示出电极具有更强的氧化还原反应。电极基于活性材料的功率密度可达100kW/kg以上，比传统的二氧化锰电极高一个数量级以上。同时，电极上活性材料具有接近于二氧化锰理论值的高容量，因而能量密度可达到电池级别。经过1000次循环充放电后，电极的容量保持率高达99.99％，表明其电化学稳定性非常好。最后，本文通过比较在二氧化锰晶体内嵌入不同离子（钠离子或者锂离子）在不同的电解液（硫酸钠或硫酸锂）体系中的电化学性能差异，讨论并揭示出电解液离子在二氧化锰晶体的预嵌入有助于提高其随后的电化学性能。

目录

声明

第1章 绪论

1．1 二氧化锰纳米材料

1．1．1 纳米材料

1．1．2 不同相二氧化锰的晶体结构

1．1．3 二氧化锰纳米材料的制备

1．2 二氧化锰超级电容器简介

1．2．1 超级电容器分类

1．2．2 二氧化锰超级电容器储能机理

1．2．3 基于二氧化锰超级电容器的研究进展

1．3 本课题研究内容和意义

第2章 二氧化锰电极的制备

2．1 实验原材料与仪器

2．2 Na+嵌入型MnO2纳米电极的制备

2．2．1 电沉积溶液的配比

2．2．2 电极片的预处理

2．2．3 电化学沉积平台的搭建

2．2．4 不同沉积时间的选择

2．2．5 电极的后处理

2．3 对照MnO2纳米材料电极的制备

2．3．1 水热法制备α-MnO2纳米线电极

2．3．2 常温氧化还原法制备MnO2纳米电极

2．3．3 电化学沉积法制备Li+嵌入型MnO2电极

第3章 电极的表征

3．1 结构与物相表征方法

3．2 Na+嵌入型MnO2电极的物相与结构表征

3．2．1 Na+嵌入型MnO2电极的物相表征

3．2．2 Na+嵌入型MnO2电极的结构表征

3．2．3 Na+嵌入MnO2晶体层间的机理

3．3 对照MnO2电极的物相和结构表征

3．3．1 水热处理的α-MnO2电极的表征

3．3．2 常温氧化还原反应获得MnO2电极的表征

3．3．3 电化学沉积法制备Li+嵌入型MnO2电极的表征

3．4 电极活性物质量的确定

3．5 本章小结

第4章 电极的电化学性能

4．1 电化学性能测试方法简述

4．2 超级电容器的组装流程

4．2．1．电极的制作

4．2．2．三电极体系装置的组装

4．2．3 电解液浓度的选择

4．2．4 电压范围选择

4．3 电沉积Na+嵌入型MnO2电极的电化学性能研究

4．3．1 循环伏安性能测试

4．3．2 恒流充放电测试

4．3．3 电极的比容量

4．3．4 循环性能测试

4．3．5 能量密度与功率密度

4．4 Na+嵌入对MnO2电极的电化学性能的影响

4．5 本工作研究思路的后续拓展

4．6 Na+嵌入型MnO2纳米片电极的实际应用前景

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间已发表和即将发表的论文

参加科研项目情况