基于新型納米結(jié)構超級電容器材料的研究.pdf

1、人類對化石能源的過渡依賴和消耗造成了嚴重的環(huán)境問題和能源危機，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源的開發(fā)和利用，新能源和新型能源裝置研究引起廣泛關注。作為一種能量存儲裝置，超級電容器具有非常高的功率密度、長循環(huán)壽命、充放電速度快、對環(huán)境無污染等特點。納米材料的廣泛研究極大地推動了超級電容器等先進儲能技術的蓬勃發(fā)展。然而，超級電容器材料的導電性能差、局部分散不均勻、與電解液接觸面性能不穩(wěn)定等納米材料領域常見的問題同樣關系著超級電容器基本性能。本論文針對

2、超級電容器中出現(xiàn)的這些問題，以提高材料電導率和構建多孔結(jié)構提高比表面為出發(fā)點，進行電極材料的設計、合成與性能研究。經(jīng)過材料的復合和結(jié)構的調(diào)控，包括過渡金屬氧化物、導電聚合物與多孔金屬之間的復合和一維線狀結(jié)構、二維納米多孔結(jié)構和三維大孔結(jié)構的設計制備，進一步改善超級電容器材料的電容性能。論文的宗旨是調(diào)控材料的導電性和導離子的性能，進而可以有效調(diào)節(jié)超級電容器的性能。本論文介紹的新型結(jié)構材料有望在超級電容器上得到應用，同時我們希望文中所述材料

3、可應用于其他領域并對其他材料的結(jié)構調(diào)控具有指導意義。本論文主要研究內(nèi)容如下:
　　 1、MnO2/PANI復合材料的控制合成及其電化學電容性能研究
　　 我們通過水溶液/有機溶液界面合成的方法，可控合成了一系列MnO2/PANI復合材料。該材料具有一維連續(xù)結(jié)構，通過改變?nèi)芤旱腜H值，可以有效的調(diào)控材料微觀結(jié)構和復合材料中MnO2/PANI的含量比例。本工作研究了實驗制備復合材料的結(jié)構特征和其形成機理。實驗結(jié)果表明中間產(chǎn)物

4、MnO2在產(chǎn)物結(jié)構的形成過程中起著重要的作用。工作還研究了該復合材料在超級電容器方面的性能。結(jié)果表明在合適pH下合成的MnO2/PANI復合材料具有最高的電容值207Fg-1，比實驗制備的純MnO2和PANI都要大，且表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。該復合材料高的比電容可以歸因于PANI的鏈接和導電劑作用，而具有較好的穩(wěn)定性，則是因為均勻分散的MnO2具有聚苯胺外殼的保護，從而減弱了在充放電過程中的顆粒團聚。
　　 2、具有高能量和功率密度

5、的全固態(tài)薄膜超級電容器的研究
　　 便攜式和微型化電子器件的快速發(fā)展對與之相匹配的能源轉(zhuǎn)換或存儲裝置的設計和制造提出了新的挑戰(zhàn)。本工作設計制備了納米多孔金屬(納米多孔金NPG)和導電聚合物(聚吡咯PPy)復合薄膜材料(NPG/PPy)，PPy均勻的包覆在NPG的表面，具有典型的金屬/導電聚合物核殼結(jié)構。雙連續(xù)的開孔結(jié)構，具有優(yōu)良的導電性和連續(xù)的納米孔道，提高了材料的導離子性能，繼而提高了材料的利用效率。該材料用于制備一種超薄的柔

6、性固態(tài)超級電容器，此電容器是基于一種固態(tài)電解液組裝而成，NPG作為襯底材料，可提供高的比表面積和優(yōu)良的導電性，同時可作為集流器，而固態(tài)電解液作為電解液和隔膜，簡化了電容器組裝過程。該固態(tài)柔性超級電容器具有較高的功率和能量密度296kWkg-1和27Whkg-1，高于之前的所有關于PPy的報道，且具有良好的充放電循環(huán)特性和柔韌性，有望在便攜式電子器件上得到應用。
　　 3、NPG/金屬氧化物薄膜復合材料及其電化學電容性能的研究

7、r>　　 我們通過一種簡單的電化學方法制備了納米多孔金(NPG)/過渡金屬氧化物(CoOx、RuO2)復合材料，氧化物材料具有連續(xù)的層狀結(jié)構并與NPG形成三明治夾心結(jié)構。該材料以NPG為結(jié)構支撐和集電器，而過渡金屬氧化物提供高的比電容，從而提高材料整體電容。實驗結(jié)果表明，氧化鉆的體積和質(zhì)量比電容分別達到了598Fcm-3和563Fg-1，并且該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
　　 雖然許多結(jié)構材料可以得到高的質(zhì)量比電容，但是它們的活

8、性材料載量較低，限制了表觀電容的提高。比起質(zhì)量比電容許多應用領域如小尺寸電子產(chǎn)品或傳統(tǒng)能量儲存裝置顯然更在意表觀電容量。本工作利用獨立支撐的NPG電極作為襯底材料，制備NPG/RuO2復合材料，以期獲得較大的表觀電容。NPG可同時作為集流器和結(jié)構支撐材料，RuO2作為電容活性材料。實驗結(jié)果表明RuO2的電容高達520Fg-1，NPG/RuO2復合材料的表觀電容達到了1.5Fcm-2，并且具有優(yōu)良的倍率性能和較好的穩(wěn)定性。
　　

9、4、MnOx納米線/大孔金屬復合材料及其電化學電容性能研究
　　 超級電容器因具有高的功率密度、長循環(huán)壽命和良好的安全性能被廣泛應用于混合電動車能源系統(tǒng)、數(shù)字遠程通信系統(tǒng)、不間斷電源、脈沖激光技術等領域。比起質(zhì)量比電容許多應用領域更在意高的表觀電容量。本工作通過水熱合成的方法制備了MnOx納米線/大孔金屬復合材料，該材料使用泡沫鎳的網(wǎng)狀結(jié)構為氧化錳納米線提供良好的導電性，開孔的三維結(jié)構可以提供暢通的電解液通道，為離子傳輸提供方便