过渡金属复合电极材料的制备及电化学性能研究

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与电池和传统的电容器相比,超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环使用寿命长、绿色环保和安全性高等诸多优点。其缺点也十分显著,能量密度低的缺陷大大影响了其实际应用。为了改善这一不足,研究者从电极材料和电解液两个不同的角度进行了大量研究。其中电极材料的研究主要包括(1)利用现有材料,将双电层电容和法拉第电容的储能机理相结合,提高比容量;(2)开发新型电极材料,提高工作电位。本文通过简单的水热/溶剂热方法制备了具有高比表面积和优异电化学性能的电极材料。主要研究内容如下:1、采用溶剂热法结合简单的预反应过程合成了用于高性能超级电容器的Mn O(OH)/Co(OH)2纳米片复合电极材料(PMC)。预反应过程能够使反应物混合均匀进行初步反应,有助于形成更大的比表面积(180.9 m2g-1)、介孔结构和优异的电导率,并因此具有优异的电化学性能。与未进行预反应过程的MC样品相比,有预反应过程的纳米结构PMC样品具有出色的电化学性能。PMC电极材料在1A g-1时可达到412.5 F g-1的比容量,几乎是MC样品(236 F g-1)的两倍。同时,PMC在10A g-1时的比容量仍保持初始比容量的80.9%,并表现出出色的循环稳定性(10A g-1下进行8000次循环后保持率为97.6%)。可以预期这种简单的预反应过程可用于合成其他低成本和高性能的电极材料。2、通过两步水热法合成了用于高性能超级电容器电极材料的球形和花状混合纳米结构PMC@Ni(OH)2。该混合结构有利于电解液离子的扩散和快速的电子传输。PMC@Ni(OH)2电极可在1 A g-1处获得1362 F g-1的高比容量,在20 A g-1处依然可以达到1095 F g-1的比容量。此外,在2M KOH水溶液中,以PMC@Ni(OH)2为正极,N、S共掺杂碳微球(NSCM)为负极组装成不对称超级电容器(ASC)。ASC在109 W kg-1功率密度下表现出33.4 W h kg-1的高能量密度,并具有良好的循环稳定性(在5 A g-1下循环5000次后,保持率为88.5%)。结果表明,这种结构独特的PMC@Ni(OH)2电极材料在储能领域具有很高的应用潜力。
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