水系不对称超级电容器高性能氧化铁基负极材料的设计与研究

摘要

由于不可替代能源的不断消耗以及迫在眉睫的环境问题，高效率能量储存装置已经引起了众多科学家的注意。超级电容器，也被称为电化学电容器，因为能够比传统电容器提供更多的能量，被认为是一种新型的能量储存装置。然而，为了满足日益提高的要求，现有超级电容器还需要在不损失其较高功率密度与较好循环性的同时进一步提高其能量密度。根据方程E=1/2CV2，我们可以通过增大电位窗口和容量两种方式来达到目的。一种方法是构建一种非对称电容器来扩大超级电容器的电位窗口至2.2 V左右。另一种方法是开发一种具有纳米结构的高电容高循环性能的材料。近年来，科学家们已经开发出了很多优秀的正极材料。然而，现有的负极材料仍然存在很多问题，如较低的电容性能，较差的导电性等。因此，开发一种能够与优秀正极材料匹配的新型负极材料已经迫在眉睫。
　　为了构建非对称超级电容器，结合高容量与高导电性特点的新型电极材料是必不可少的。因此，一系列负极材料，如MoO3-x，V2O5，VN，Fe2O3已被开发并用于非对称超级电容器。在这一系列材料中，氧化铁(Fe2O3)被认为是一种很有前途的电极材料，因为它具有较大的容量，储量大，无毒等其他材料不具备的优点。但是，氧化铁电极仍有许多缺陷，如氧化铁导电性较差，在高扫速下，氧化铁电极的容量与功率密度较小。不仅如此，在较大的电位窗口下工作时，由于存在氧化还原反应，电极材料的结构易于坍塌，从而导致氧化铁材料的循环性能较差。
　　本文中，第一个工作是，设计并制备了一种多层次四氧化三铁@氧化铁核壳结构纳米棒阵列(Fe3O4@Fe2O3 NARs)，并将其作为非对称超级电容器(ASC)的负极。结果表明，相比于纯氧化铁和四氧化三铁纳米棒阵列电极，四氧化三铁@氧化铁电极具有优异的电化学性能，（高达1206 F/cm3，质量负载1.25毫克/平方厘米）以及良好的倍率性能和循环稳定性。非对称电容器也使用四氧化三铁@氧化锰核壳结构纳米棒阵列(Fe3O4@MnO2 NARs)作为正极。我们还制造了电压区间为2V的四氧化三铁@氧化铁为负极，四氧化三铁@二氧化锰为正极的非对称超级电容器。得到了较高的能量密度与功率密度(在15.6 mW/cm3(500 W/kg)的功率密度下，能量密度为0.83 mWh/cm3(26.6 Wh/kg)。这项工作第一次证明我们可以通过引入四氧化三铁基底来解决一系列阻碍氧化铁应用的难题。
　　为了解决氧化铁循环性差的难题，在第二个工作中，我们采用了一种简单的方法，设计并制备了氧化铁@氧化钛核壳结构纳米棒阵列材料。由于氧化铁是在氩气气氛中热处理得到，氧化铁中含有大量的氧空位，使得这种材料具有较为优异的导电性，同时，由于氧化铁纳米棒表面有通过ALD沉积的氧化钛的保护，材料的性质十分稳定，使氧化铁可以在很大的电位窗口(0～-1.3 V)下工作，从而使容量得到较大的提升(930mF/cm2);同时，材料也表现出杰出的循环性能，5000圈循环后，仍有超过70％的容量得以保留。这些杰出的特性使得氧化铁@氧化钛复合材料成为了一种很具前景的高性能不对称超级电容器的负极材料。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超级电容器的简介

1．1．1 超级电容器的发展历史

1．1．2 超级电容器的主要特点

1．1．3 超级电容器的应用

1．2 超级电容器的工作原理

1．2．1 超级电容器的结构

1．2．2 超级电容器的工作原理

1．2．3 超级电容器的主要参数

1．3 超级电容器电极材料

1．3．1 碳结构电极材料

1．3．2 金属氧化物电极材料

1．3．3 导电聚合物电极材料

1．3．4 材料研究发展趋势

1．4 本课题的研究意义以及研究内容

1．4．1 本课题的研究背景

1．4．2 本课题的主要研究内容

2 实验方法及原理

2．1 实验药品及仪器设备

2．2 材料的物性表征

2．2．1 X射线衍射仪(XRD)

2．2．2 拉曼光谱仪(Raman)

2．2．3 热重分析仪(TGA)

2．2．4 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．5 透射电子显微镜(TEM)

2．3 材料的电化学性能测试

2．3．1 循环伏安测试(CV)

2．3．2 恒流充放电测试(GCD)

2．3．3 交流阻抗测试(EIS)

2．4 电化学相关数据的计算

2．4．1 单电极比容量计算

2．4．2 不对称电容器比容量、能量密度、功率密度的计算

3 多层次四氧化三铁@氧化铁(Fe3O4@Fe2O3)复合电极材料的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 合成四氧化三铁及氧化铁纳米棒阵列

3．2．2 合成四氧化三铁@氧化铁核壳结构纳米棒阵列

3．2．3 合成四氧化三铁@氧化锰核壳结构纳米棒阵列

3．2．4 材料表征

3．2．5 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．4 结论

4 多层次氧化铁@二氧化钛(Fe2O3@TiO2)复合电极材料的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 氧化铁纳米棒阵列的制备

4．2．2 氧化铁@氧化钛核壳结构纳米棒阵列的制备

4．2．3 材料表征

4．2．4 电化学测试

4．3 结果与讨论

4．4 结论

5 结论以及工作展望

5．1 结论

5．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况