基于MnCo2O4复合电极的锂离子混合电容器研究

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由于化石燃料能源的不可再生性,能源问题成为了21世纪社会科技发展的重大挑战之一。而且近年来随着便携式电子设备和新能源汽车市场的激增,高功率和高能量密度的储能器件的发展尤为迫切。锂离子电池(LIBs)具有高的能量密度,但其功率密度较低;超级电容器(SCs)呈现出高的功率密度,但其能量密度较低。锂离子电容器(LICs)是一种基于双电层和锂离子嵌入/脱嵌的双重储能机制的新型储能器件,兼具LIBs和SCs的优点,有望具有高的能量和功率密度,会具有更广的应用前景。但研究发现其倍率性和循环稳定性较差。本文以获得高的能量密度、倍率性和循环稳定性的LICs为目标,以钴酸锰复合电极为研究对象,从以下三个方面对LICs展开了研究:1.通过水热法合成颗粒状MnCo2O4,与还原氧化石墨烯(rGO)复合得到MnCo2O4/rGO复合材料。结果表明,rGO可提高电极材料的电导率和比表面积。在0.1 A g-1电流密度下,复合材料的比容量高达1170 mAh g-1,优于纯的MnCo2O4。将其预嵌锂后与活性炭(AC)组装成扣式MnCo2O4/rGO//AC LIC,能量密度最高可达78.8 Wh kg-1(功率密度为198.8 W kg-1);在功率密度为3017.3W kg-1时,能量密度仍有36.2 Wh kg-1;经1000次循环后电容保持率为76.9%,展现了较好的电化学性能。2.通过水热法合成TiO2纳米管,并与MnCo2O4复合获得MnCo2O4/TiO2复合材料。结果表明,TiO2纳米管可提升电极材料的比表面积,改善电极材料的倍率性和循环稳定性。在0.1 A g-1电流密度下,比容量高达948 mAh g-1,高于纯的MnCo2O4。随后对其预嵌锂并组装成扣式MnCo2O4/TiO2//AC LIC,在功率密度为254.8 W kg-1下,具有最高能量密度,为89.8 Wh kg-1;在功率密度为3407.6 W kg-1时,能量密度仍有44.3 Wh kg-1;且经1000次循环后电容保持率为81.9%,展现了良好的循环稳定性。3.通过水热法合成花瓣状结构MoS2,并与MnCo2O4复合得到MnCo2O4/MoS2复合材料。结果表明,MoS2可增大电极材料的导电性。在0.1 A g-1电流密度下测得,比容量高达1288 mAh g-1,超过纯的MnCo2O4。对其进行预嵌锂后与AC组装成扣式MnCo2O4/rGO//AC LIC,该器件能量密度最高可达97.8 Wh kg-1(功率密度达313.7 W kg-1),最高功率密度为2996.8 W kg-1(能量密度达45.6 Wh kg-1);经1000次循环后电容保持率为80.1%,展现了良好的电化学性能。
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