【摘要】：近年來,超級(jí)電容器以其高功率密度、快充放電速度、長(zhǎng)使用壽命和高安全性,逐漸成為下一代能源裝置中最具潛力的儲(chǔ)能設(shè)備,能夠滿足時(shí)代發(fā)展所需的現(xiàn)代電子設(shè)備和能源系統(tǒng)。根據(jù)電荷存儲(chǔ)機(jī)理,超級(jí)電容器大致可以分成兩類,即使用碳基電極材料的雙電層超級(jí)電容器和使用具有氧化還原反應(yīng)電極材料的贗電容超級(jí)電容器。到目前為止,對(duì)于贗電容超級(jí)電容器電極材料的研究主要集中在發(fā)展具有商用前景的過渡金屬氧化物,因?yàn)樗鼈兙哂胸S度高、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的特點(diǎn),特別是能為氧化還原反應(yīng)提供多種電荷價(jià)態(tài),因而能夠獲得更高的能量密度和理論比電容值。由于不同的過渡金屬氧化物有著各異的微觀結(jié)構(gòu)和組分,在作為電極材料時(shí),電極／電解液界面性質(zhì)和離子傳輸速率也不盡相同,因而電荷存儲(chǔ)能力具有本質(zhì)的差別。在這篇博士學(xué)位論文中,我們以多種不同微觀結(jié)構(gòu)的MnO2電極材料的制備為基礎(chǔ),圍繞提高過渡金屬氧化物電極材料電化學(xué)性能所面臨的部分挑戰(zhàn),逐步發(fā)展Mn基復(fù)合金屬氧化物電極材料,并探討其在實(shí)際應(yīng)用中的影響因素。論文中的主要內(nèi)容概括如下： 1采用水熱法合成了長(zhǎng)～40μm,寬～15nm的單晶α-MnO2超長(zhǎng)納米線。通過改變表面活性劑合成了a-MnO2納米線和納米棒。利用TEM-STM樣品臺(tái)測(cè)試了單根MnO2納米線和納米棒的原位電學(xué)性能,結(jié)果表明Mn02納米線的導(dǎo)電性優(yōu)于納米棒,在-5-5V電壓變化范圍內(nèi),電流變化范圍為-252.5～206.7nA,高于納米棒(-122.3～92.3nA)。對(duì)比三種MnO2電極材料,超長(zhǎng)納米線的電化學(xué)性能最為優(yōu)異,1A/g的電流密度下,其比電容值達(dá)到了345F/g,電流密度增大10倍時(shí)比電容仍然能保持54.7%。 2采用恒電流沉積法在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)了長(zhǎng)約數(shù)微米,寬8-10nm的a-MnO2超細(xì)納米帶。通過改變測(cè)試溫度,探討了0℃、25℃和50℃下超細(xì)納米帶電極材料的電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)在50℃時(shí)性能最為優(yōu)異,200mA/g電流密度下比電容達(dá)到了509.5F/g,遠(yuǎn)高于0和25℃下的電容值。此外,50℃時(shí)也表現(xiàn)出較好的倍率性能,當(dāng)掃描速度增加100倍時(shí),能夠保持初始比電容值的39.1%。通過變溫下5000次的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定測(cè)試,發(fā)現(xiàn)MnO2超細(xì)納米帶最終仍然能夠保留91.3%初始電容量,證明所制備的超細(xì)納米帶具有良好的抗溫變效應(yīng)。 3設(shè)計(jì)并通過分步可控電沉積法將MnO2納米片或納米棒生長(zhǎng)在Au包覆的C0304多孔納米墻陣列上,形成Co3O4@Au@MnO2三維層狀異質(zhì)結(jié)。由于其獨(dú)特的自組裝結(jié)構(gòu)和特征,即C0304多孔納米墻、超薄MnO2納米片以及夾在中間的高導(dǎo)電Au層,使得每一部分都為其用于能量?jī)?chǔ)存提供所需的重要作用。合成的三維層狀異質(zhì)結(jié)電極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,如高比電容(10mV/s時(shí)電容為851.4F/g,1A/g電流密度時(shí)為1532.4F/g),高倍率性能以及優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性(5000圈循環(huán)測(cè)試后幾乎沒有衰減),因此該材料在高性能超級(jí)電容器中具有很好的應(yīng)用前景。 4采用水熱法合成了平均直徑為4-6μm的海膽狀MnCo2O4.5前驅(qū)體,400℃煅燒后獲得立方相MnCo2O4.5晶體。SEM和TEM表征發(fā)現(xiàn)其分級(jí)結(jié)構(gòu)是由顆粒鏈接而成,使得海膽狀MnCo2O4.5富含孔隙。將其作為電極材料,在5mV/s掃速下具有151.2F/g的比電容。重要的是,當(dāng)電流密度增加50倍情況下,其比電容依然能保持初始的83.6%；不同電流密度充放電測(cè)試2100次后無衰減現(xiàn)象發(fā)生。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM53;TB33

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2283777