鋰離子超級電容器電極材料的制備及其儲能研究.pdf

1、鋰離子超級電容器屬于混合型超級電容器，是近些年發(fā)展起來的一種新型的介于鋰離子電池和雙電層超級電容器的能量存儲設備。鋰離子超級電容器的陽極和陰極電極材料充、放電原理不同。鋰離子超級電容器一般采用能夠實現(xiàn)鋰離子脫嵌電池材料和雙電層超級電容器電極材料。鋰離子超級電容器的能量密度高于雙電層超級電容器，主要原因與其電極材料及其相應組成有關。鋰離子超級電容器與雙電層電容器相比，在充、放電過程中能夠實現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌。因此，鋰離子超級電容器的能量

2、密度高于雙電層超級電容器。鋰離子超級電容器的功率密度高于鋰離子電池，主要原因是其具有比鋰離子電池更快地充、放電速率。鋰離子超級電容器具有廣闊的發(fā)展前景，有望在新能源領域得到廣泛應用。鋰離子超級電容器的電極材料是影響鋰離子超級電容器電化學性能的重要因素之一。鋰離子超級電容器電極材料首要解決的核心問題就是如何在充放電過程中更好、更快地實現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌問題。
　　本文基于錳類和鉬類不同體系的化合物制備了幾種不同的可快速實現(xiàn)鋰離子嵌

3、入與脫嵌的鋰離子超級電容器電極材料。利用MnO2在1 MLiOH強堿性電解液中強的鋰離子交換能力，制備出可實現(xiàn)鋰離子嵌入與脫嵌的MnO2/TiN NTA電極材料。為解決MnO2在近中性電解液中鋰離子有限的嵌入與脫嵌量問題，對MnO2預插入鋰制備出可在1 M Li2SO4電解液中實現(xiàn)鋰離子嵌入與脫嵌的Li0.7MnO2/TiN NTA電極材料。對MnO2半導體電極材料而言，二氧化鉬和氮化鉬則有著較高的導電能力，電導率大于二氧化錳。本文也研

4、究了基于鉬類化合物的電極材料。通過在鉬酸銨電解液中進行電化學沉積的方法制備出MoOx/TiN NTA電極材料。隨沉積時間的增長MoOx會從TiN NTA上發(fā)生脫落。為解決這一問題，對TiN NTA進行碳包覆制備了MoOx/C-TiN NTA電極材料。通過氮化過程制備出穩(wěn)定性能更好的MoNx/TiN NTA電極材料。為增強MoNx/TiN NTA電極材料的導電性能與提高材料的電容量，對該電極材料用氮化石墨烯進行改進制備了氮化鉬-氮化石墨烯

5、/氮化鈦納米管陣列(MoNx-GNN/TiN NTA)電極材料。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)含錳化合物/氮化鈦納米管電極材料的制備及其儲能研究
　　利用堿性電解液中不同堿金屬離子在MnO2中離子交換能力的不同，制備了二氧化錳/氮化鈦納米管陣列(MnO2/TiN NTA)電極材料。MnO2在1 M LiOH電解液中能夠實現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌，具有高電導率的TiN NTA提高了MnO2的電子傳輸能力。為了更進一步地驗證MnO2

6、在1 M LiOH電解液中鋰離子的嵌入與脫嵌行為，研究了MnO2/TiNNTA電極在1 MKOH電解液中的電化學性能。從理論上分析了MnO2/TiN NTA電極在兩種電解液中的電化學機理。采用了掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和拉曼散射儀等對所制備的電極材料進行了結構和形貌分析。并運用循環(huán)伏安曲線、但電流充放電曲線以及電化學阻抗譜等對所制備電極材料的電化學性能進行研究。
　　MnO2在中性電解液中鋰離子插層能力較弱，不能實現(xiàn)大量鋰離子

7、嵌入與脫嵌。采用電化學沉積同時鋰離子插層方法合成鋰插層化合物LixMnO2。該鋰插層化合物LixMnO2在1 M Li2SO4電解液中可實現(xiàn)大量鋰離子的嵌入和脫嵌，解決了二氧化錳在中性電解液中有限的脫嵌鋰量問題。解釋了插層化合物Li0.7MnO2和MnO2在1 M Li2SO4電解液中不同的電化學反應機理。研究并比較了Li0.7MnO2/TiN NTA和MnO2/TiN NTA的形貌，微結構、電容性能、循環(huán)穩(wěn)定性和電化學阻抗性能。

8、>　　(2)氧化鉬/氮化鈦納米管陣列電極材料的制備及其儲能研究
　　通過電化學沉積方法制備了氧化鉬/氮化鈦納米管陣列(MoOx/TiN NTA)電極材料。MoOx在1 M LiOH電解液中能夠實現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌。解釋了MoOx在1 M LiOH電解液中的贗電容儲能機理。采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀對所制備的MoOx/TiNNTA電極材料進行了結構和形貌分析。用能量彌散X射線探測器分析確定了MoOx/TiNNTA電極的元素組

9、成。
　　為有效緩解電活性材料MoOx隨電化學沉積時間增長從TiN NTA上脫落的問題，對TiN NTA進行碳包覆。通過碳包覆有效緩解了MoOx出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。碳包覆后MoOx/C-TiN NTA電極的循環(huán)穩(wěn)定性強于碳包覆前的MoOx/TiN NTA電極。解釋了電活性材料MoO2(或MoO3)隨沉積時間的增長從TiN NTA上產(chǎn)生脫落的原因。MoOx/C-TiNNTA電極比MoOx/TiN NTA具有更強的電子傳輸能力。
　

10、　(3)氮化鉬/氮化鈦納米管陣列電極材料的制備及其儲能研究
　　通過在二氧化鈦納米管陣列(TiO2 NTA)上先電化學沉積MoOx制備氧化鉬/二氧化鈦納米管陣列(MoOxTiO2 NTA)，隨后進行氮化過程制備了氮化鉬/氮化鈦納米管陣列(MoNx/TiN NTA)電極材料。MoNx在充、放電過程中可實現(xiàn)鋰離子在其內(nèi)部的嵌入與脫嵌。MoNx/TiN NTA電極的循環(huán)穩(wěn)定性能明顯強于MoOx/TiN NTA電極。采用掃描電子顯微鏡和X

11、射線衍射儀對MoNx/TiN NTA電極材料進行了結構和形貌分析。用能量彌散X射線探測器分析確定了MoNx/TiN NTA電極的元素組成。
　　通過對MoOx/TiO2 NTA進行氧化石墨烯吸附，隨后在氨氣氣氛中高溫氮化的方法制備了氮化鉬-氮化石墨烯/氮化鈦納米管陣列(MoNx-GNN/TiN NTA)電極材料。用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對MoNx-GNN/TiN NTA的形貌和微結構進行描述和分析。用能量彌散X射線探測器分析