水系不對(duì)稱超級(jí)電容器高性能氧化鐵基負(fù)極材料的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、由于不可替代能源的不斷消耗以及迫在眉睫的環(huán)境問(wèn)題，高效率能量?jī)?chǔ)存裝置已經(jīng)引起了眾多科學(xué)家的注意。超級(jí)電容器，也被稱為電化學(xué)電容器，因?yàn)槟軌虮葌鹘y(tǒng)電容器提供更多的能量，被認(rèn)為是一種新型的能量?jī)?chǔ)存裝置。然而，為了滿足日益提高的要求，現(xiàn)有超級(jí)電容器還需要在不損失其較高功率密度與較好循環(huán)性的同時(shí)進(jìn)一步提高其能量密度。根據(jù)方程E=1/2CV2，我們可以通過(guò)增大電位窗口和容量?jī)煞N方式來(lái)達(dá)到目的。一種方法是構(gòu)建一種非對(duì)稱電容器來(lái)擴(kuò)大超級(jí)電容器的電位窗

2、口至2.2 V左右。另一種方法是開發(fā)一種具有納米結(jié)構(gòu)的高電容高循環(huán)性能的材料。近年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了很多優(yōu)秀的正極材料。然而，現(xiàn)有的負(fù)極材料仍然存在很多問(wèn)題，如較低的電容性能，較差的導(dǎo)電性等。因此，開發(fā)一種能夠與優(yōu)秀正極材料匹配的新型負(fù)極材料已經(jīng)迫在眉睫。
　　為了構(gòu)建非對(duì)稱超級(jí)電容器，結(jié)合高容量與高導(dǎo)電性特點(diǎn)的新型電極材料是必不可少的。因此，一系列負(fù)極材料，如MoO3-x，V2O5，VN，F(xiàn)e2O3已被開發(fā)并用于非對(duì)稱超級(jí)

3、電容器。在這一系列材料中，氧化鐵(Fe2O3)被認(rèn)為是一種很有前途的電極材料，因?yàn)樗哂休^大的容量，儲(chǔ)量大，無(wú)毒等其他材料不具備的優(yōu)點(diǎn)。但是，氧化鐵電極仍有許多缺陷，如氧化鐵導(dǎo)電性較差，在高掃速下，氧化鐵電極的容量與功率密度較小。不僅如此，在較大的電位窗口下工作時(shí)，由于存在氧化還原反應(yīng)，電極材料的結(jié)構(gòu)易于坍塌，從而導(dǎo)致氧化鐵材料的循環(huán)性能較差。
　　本文中，第一個(gè)工作是，設(shè)計(jì)并制備了一種多層次四氧化三鐵@氧化鐵核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列(

4、Fe3O4@Fe2O3 NARs)，并將其作為非對(duì)稱超級(jí)電容器(ASC)的負(fù)極。結(jié)果表明，相比于純氧化鐵和四氧化三鐵納米棒陣列電極，四氧化三鐵@氧化鐵電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，（高達(dá)1206 F/cm3，質(zhì)量負(fù)載1.25毫克/平方厘米）以及良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。非對(duì)稱電容器也使用四氧化三鐵@氧化錳核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列(Fe3O4@MnO2 NARs)作為正極。我們還制造了電壓區(qū)間為2V的四氧化三鐵@氧化鐵為負(fù)極，四氧化三鐵@二氧化錳

5、為正極的非對(duì)稱超級(jí)電容器。得到了較高的能量密度與功率密度(在15.6 mW/cm3(500 W/kg)的功率密度下，能量密度為0.83 mWh/cm3(26.6 Wh/kg)。這項(xiàng)工作第一次證明我們可以通過(guò)引入四氧化三鐵基底來(lái)解決一系列阻礙氧化鐵應(yīng)用的難題。
　　為了解決氧化鐵循環(huán)性差的難題，在第二個(gè)工作中，我們采用了一種簡(jiǎn)單的方法，設(shè)計(jì)并制備了氧化鐵@氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列材料。由于氧化鐵是在氬氣氣氛中熱處理得到，氧化鐵中含有