氧化物-碳納米復(fù)合材料的溶液燃燒制備及電化學(xué)性能優(yōu)化研究.pdf

1、鋰離子電池能量密度高、工作電壓高、環(huán)境友好，但其能量密度和功率密度仍難以滿足綠色交通領(lǐng)域的性能需求。具有高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命特質(zhì)的超級(jí)電容器常用于短時(shí)高功率能量輸出與存儲(chǔ)，與鋰離子電池形成補(bǔ)充。如何設(shè)計(jì)制備高性能的電極材料體系，以兼容鋰離子電池與超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能研究的熱點(diǎn)之一。
　　過(guò)渡金屬氧化物同時(shí)具有很高的儲(chǔ)鋰容量和贗電容特性，是鋰離子電池與超級(jí)電容器的重要備選電極體系。對(duì)于過(guò)渡金屬氧化物而言，低導(dǎo)電性和低

2、韌性造成材料的有效利用率低，循環(huán)穩(wěn)定性差。將納米級(jí)氧化物與碳材料進(jìn)行復(fù)合，既可以減小離子遷移距離、材料絕對(duì)膨脹率，又可以提高體系導(dǎo)電性，是提升電化學(xué)性能的一種普適策略。傳統(tǒng)納米技術(shù)（如靜電紡絲法、水熱法、化學(xué)浴沉積等）雖可以有效調(diào)控氧化物粒子物相、形貌等微觀特性，但普遍存在合成周期長(zhǎng)、對(duì)設(shè)備要求高等缺點(diǎn)。本研究利用氧化劑與還原劑之間的快速氧化還原反應(yīng)，開(kāi)發(fā)了過(guò)渡金屬氧化物/碳復(fù)合電極材料的廉價(jià)高效制備技術(shù)，并展示了所合成材料的良好電化學(xué)

3、性能。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　1.以硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)和檸檬酸(C6H8O7·H2O)為原料，在350℃C空氣氣氛下，一步合成了Fe2O3/C納米復(fù)合材料，其中碳含量可以通過(guò)檸檬酸的用量調(diào)控。電化學(xué)測(cè)試表明，優(yōu)化的Fe2O3/C復(fù)合材料在電流密度為125mA· g-1時(shí)，200次循環(huán)后儲(chǔ)鋰容量仍達(dá)419 mAh·g-1，比石墨材料(372mAh·g-1)的理論儲(chǔ)鋰容量高12％。
　　2.在Fe2O3/

4、C制備工藝基礎(chǔ)上，向反應(yīng)液中添加碳納米管(CNTs)，一步合成了CNTs/Fe2O3/C三元復(fù)合材料。該三元復(fù)合材料在1A·g-1電流密度下比電容達(dá)192.6 F·g-1;明顯優(yōu)于無(wú)CNTs樣品(Fe2O3/C，比電容139.7F·g-1)。當(dāng)電流密度增大到3.5 A·g-1時(shí)，其比電容仍可以達(dá)到116.6 F·g-1。
　　3.考慮到硝酸鹽原料造成的氮氧化物污染問(wèn)題，以及錳基氧化物材料低價(jià)、無(wú)毒、高性能等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步研究了以高錳

5、酸鉀(KMnO4)為氧化劑一步合成水鈉錳礦型介孔K2Mn4O9和K2Mn4O9/CNTs納米粉體。K2Mn4O9粉體在1 M KOH溶液中比電容高達(dá)603F·g-1，5000次循環(huán)容量保持率為90.1％。復(fù)合CNTs以后，所得K2Mn4O9/CNTs納米復(fù)合物的比電容比K2Mn4O9電極提高了23％(比容量達(dá)到743F·g-1)。
　　4.為展示其潛在應(yīng)用性，以K2Mn4O9/CNTs為正極，活性炭為負(fù)極，組裝了K2Mn4O9/C