基于錳、鉬氧化物及其復(fù)合納米材料的儲能器件研究.pdf

1、超級電容器也稱為電化學(xué)電容器，是一種近年來發(fā)展迅速的新型能量存儲器件。相對于電池而言，超級電容器具有高功率密度、快速充放電、長使用壽命和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、信息技術(shù)、航空航天、清潔能源的開發(fā)和利用等諸多領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。超級電容器所采用的結(jié)構(gòu)布局和電極材料，在很大程度上決定了器件的性能，是整個(gè)器件設(shè)計(jì)的核心。以結(jié)構(gòu)布局來分，超級電容器分為對稱結(jié)構(gòu)和非對稱結(jié)構(gòu)兩種；以電極材料來分，主要有采用以碳材料為代表的雙電層電容器、采

2、用以過渡金屬氧化物為代表的贗電容器和二者皆用的混合型電容器。相對而言，后兩種電容器在大規(guī)模應(yīng)用方面盡管還有一些瓶頸有待突破，但它們有更大的能量密度，是超級電容器在近來的一個(gè)重要發(fā)展方向。因此，本論文以后面兩種類型的超級電容器為研究重點(diǎn)。本文選定化學(xué)性能穩(wěn)定、高比表面積的活性炭、碳納米管，廉價(jià)且環(huán)境友好的二氧化錳、三氧化鉬作為超級電容器的電極材料，并與有機(jī)導(dǎo)電高分子材料聚吡咯進(jìn)行復(fù)合，結(jié)合多種材料表征測試方法，系統(tǒng)地研究了超級電容器結(jié)構(gòu)的

3、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電極材料的制備、電解液的選擇、器件的性能和影響因素等。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.在單根碳纖維基底上，用電化學(xué)恒電壓法生長了二氧化錳納米片，并在二氧化錳納米片外原位生長聚吡咯薄膜進(jìn)行包覆，研究其電化學(xué)性能。結(jié)果表明，得到的二氧化錳納米片屬于型二氧化錳，且酸性電解質(zhì)能腐蝕未包覆的二氧化錳納米片；當(dāng)型二氧化錳包覆聚吡咯薄膜后，可以防止酸性電解質(zhì)的腐蝕。在恒電壓下生長15分鐘的二氧化錳納米片，且經(jīng)2分鐘的聚吡咯生長包

4、覆后，復(fù)合材料有良好的電化學(xué)性能。這種復(fù)合材料構(gòu)建的超級電容器，工作電壓窗口為0～0.8 V，在0.1 mA cm-3的電流密度下，器件的體積電容可以達(dá)到69.3 F cm-3；經(jīng)1000次循環(huán)測試，器件能夠保留86.7％的初始電容量。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出與微納機(jī)電系統(tǒng)和柔性電子器件相匹配的對稱結(jié)構(gòu)固態(tài)柔性超級電容器。
　　2.在碳布基底上，用電化學(xué)恒電流法生長了二氧化錳納米片，并在二氧化錳納米片外原位生長聚吡咯包覆薄膜，研究其電化學(xué)

5、性能。該方法合成的二氧化錳納米片，經(jīng)過檢測證明其屬于水鈉錳礦。在碳布基底上，在恒電流下生長75分鐘的二氧化錳納米片，經(jīng)過2.5分鐘的聚吡咯生長包覆后，作為超級電容器的正極，與碳布基底包覆活性炭負(fù)電極匹配后，組成非對稱結(jié)構(gòu)超級電容器，工作電壓窗口為0～1.8 V。在0.5 mA cm-2的電流密度下，器件的面電容可以達(dá)到1.41 F cm-2，經(jīng)1000次循環(huán)測試，器件能夠保留98.6％的初始電容量。在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出與可穿戴式電子設(shè)

6、備匹配的非對稱結(jié)構(gòu)固態(tài)柔性超級電容器。
　　3.采用過渡金屬氧化物中，具有最大功函數(shù)差的二氧化錳和三氧化鉬作為非對稱結(jié)構(gòu)超級電容器的正、負(fù)電極材料。用水熱法合成二氧化錳納米線和三氧化鉬納米帶，分別摻入一定比例的碳納米管來改善電極的導(dǎo)電性能。研究表明，由這兩種電極構(gòu)成的非對稱超級電容器，工作電壓窗口為0～2.0 V，在2 mV s-1的掃描速度下，其體積比電容為50.2 F cm-3。進(jìn)一步在正、負(fù)電極之間插入內(nèi)聯(lián)結(jié)構(gòu)的中間層后，器