锰、钴氧化物基复合电极材料的制备及其超级电容器性能研究

摘要

随着能源以及环境问题的加剧，环境友好且高性能的储能设备引起了广泛的关注。超级电容器凭借其高功率密度，长寿命，操作安全和快速充放电等特点成为最具潜力的电化学能量储存设备之一。但是它存在工作电压低，能量密度相对较小等问题。提高超级电容器性能的重要方法之一就是制备高性能的电极材料。单一材料存在很多不足，本文中我们把具有优异导电性的材料（碳材料，导电高分子材料等）与金属氧化物进行复合，制备了具有良好性能的赝电容复合电极材料，具体内容如下: 1.通过两步法制备了聚吡咯(PPy)/MnO2/Ni foam一体化超级电容器电极材料。MnO2纳米片阵列(Nanosheets Arrays，NSAs)经水热法制备，有序生长于三维泡沫镍(Ni foam)基底上，而原位聚合法制备的PPy均匀且牢固地包覆在MnO2纳米片阵列上。该电极在1mA cm-2时测得的比电容为282mF cm-2，恒电流充放电(GCD)6000次比电容可以维持最初值的95％。由该复合电极材料组装的纽扣式对称器件(SSC)具有优良的循环稳定性（循环6000次后电容保持率为90％），并能成功点亮LED灯泡。该电极材料的优异性能主要归因于:其三维纳米结构可以提供更多活性位点，加快离子/电子传输速率，同时，这种核-壳结构还使得PPy和MnO2赝电容材料具有良好的应变性能。这些优异的电化学性能和原材料自身廉价的特点使它在实际应用方面具有很大的潜力。 2.以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为结构调控剂和氮掺杂碳(NC)的前驱体，通过水热结合退火处理的方法制备了具有超长循环寿命的ZnO-CoO@NC异质结介孔微球复合材料。通过XPS证明了表面氧空位缺陷和NC的存在。研究了PVP浓度对ZnO-CoO@NC的形貌和电化学性能的影响。结果表明:在2M KOH中，0.5Ag-1时比容量为301Fg-1，电流密度从0.5增至10A g-1，容量保持率为77.2％;经过40000次GCD循环后，ZnO-CoO@NC在2Ag-1的比电容为原始值的92％。组装的不对称超级电容器ZnO-CoO@NC//石墨烯(GE)10000次循环后比容量依然保留94％(2A g-1)。ZnO-CoO@NC优异的循环稳定性和倍率特性主要来源于材料的结构设计、表面氧空位缺陷、ZnO和NC的良好导电性，以及组分之间的协同效应。 3.采用抽滤外加还原的方法制备了石墨烯/二氧化锰（rGO/MnO2）复合膜柔性电极材料。将事先制备的氧化石墨烯(GO)与MnO2溶液混合后真空抽滤得到GO/MnO2材料，对其进行煅烧还原即可获得rGO/MnO2复合膜柔性电极材料。通过X射线粉末衍射分析，透射电子显微镜，扫描电子显微镜对其结构和形貌进行表征，并对这种材料进行电化学测试。结果发现，rGO/MnO2电极材料在0.5A g-1时的比容量为107.9F g-1，电流密度从0.5增加6A g-1时，容量保持率为71.6％，说明该材料具有良好的超级电容器性能。

目录

声明

摘要

1绪论

1．2．2超级电容器的特点

1．3超级电容器的分类

1．3．1双电层电容器

1．3．2赝电容电容器

1．3．3混合超级电容器

1．4．1碳材料

1．4．2导电高分子材料

1．4．3金属氧化物

1．5课题的研究内容及意义

2实验内容

2．1实验仪器

2．3工作电极的制备

2．4样品的分析与表征

2．4．3透射电子显微镜

2．4．4扫描电子显微镜

2．4．5比表面积及孔径分布测试

2．5．1循环伏安测试

2．5．2恒电流充放电

2．5．3交流阻抗测试

3．PPy/MnO2/Ni foam一体化电极材料的制备及其电化学性能

3．1前言

3．2实验部分

3．2．1 Ni foam基底的前处理

3．2．4结构与形貌表征

3．2．5电化学测试

3．3．1结构与形貌

3．3．2超级电容器电极材料的电化学性能测试

3．3．3超级电容器的电化学性能测试

3．4本章小结

4 ZnO-CoO@NC自组装微球电极材料的制备及电化学性能

4．1前言

4．2实验

4．2．2电化学测试

4．3结构与形貌表征以及电化学性能的测试

4．3．1结构与形貌

4．3．2超级电容器电极材料的电化学性能测试

4．3．3超级电容器的电化学性能测试

4．4本章小结

5 rGO/MnO2柔性一体化电极的制备及电化学性能

5．1前言

5．2．实验

5．2．3 GO/MnO2复合膜柔性电极材料

5．2．4 rGO/MnO2柔性膜的制备

5．2．5结构与形貌表征

5．3．1结构与形貌

5．3．2超级电容器电极材料的电化学性能测试

5．4本章小结

6全文总结与展望

致谢

参考文献

附录