锂离子电容器负极材料的制备及电化学性能研究

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锂离子电容器(LICs),作为混合电化学电容器中的一员,具有工作电压高、充放电速度快、稳定性好等众多优点,兼有较高的能量密度和功率密度,被广泛应用于汽车启动和各种电源、电动设备中。通常地,锂离子电容器的正极材料是比表面积较高、吸附能力较强的活性炭,因此,对锂离子电容器的研究重点就集中在负极材料的选取上。  石墨是最先被研究的锂离子电容器负极材料,与石墨相比,石墨烯具有一些独特的优势。石墨烯具有较高的比表面积,可以为锂离子的嵌入/脱出提供很高的活性位点;优异的导电性有利于电化学反应的进行;较强的机械稳定性和化学稳定性使在高倍率下快速充放电和较长循环周期的稳定性成为可能。在本论文的第三章,我们选取了石墨烯和传统的负极材料石墨作为研究对象,在循环稳定性、倍率性能、能量密度和功率密度等方面进行了对比。  除了石墨烯,我们从众多的过渡金属氧化物中选择了MnO为研究对象。MnO具有很低的电位(1.032V),较小的过电势,较高的理论容量(756mAh/g),价格低廉以及环境友好等优良的特性,是发展锂离子电容器极具潜力的电极材料之一。然而,在快速充放电过程中,锂离子的嵌入和脱出会使MnO产生巨大的形变,甚至会造成其结构的坍塌和粉碎。另外,其较低的电导率进一步加剧了容量的衰减。为了解决这一问题,我们通过设计实验、调节实验参数和控制材料形貌等一系列途径,选择电导率高和化学稳定性好的炭材料作为MnO的导电基质,制备MnO/C复合材料,并将其作为锂离子电容器的负极材料,并进行了相应的电化学性测试。  在第四章,我们选用MnC12·4H2O为锰源,利用溶胶.凝胶法合成了MnO/C复合材料。通过XRD、SEM、TEM、TG、Raman和XPS等手段对材料进行了全面的物理表征。电化学测试表明,复合材料在小电流下的比容量较高,但是随着电流密度和循环周期的增加,比容量衰减较快,容量保持率较低,原因是在较大的电流密度下快速充放电时,MnO的体积变化较大,容易引起MnO结构坍塌,造成容量的衰减。  在第五章,我们在第四章的研究基础上重新设计了实验,利用水热法合成了MnO/GNS纳米复合材料。石墨烯纳米片拥有开放的多孔网络结构,可以作为复合材料的基底,提高复合材料的柔韧性,避免较长循环周期MnO结构的坍塌。 SEM和TEM测试均显示MnO颗粒和石墨烯纳米片结合良好,得到了分散均匀的MnO/GNS纳米复合材料。同时,与上一章研究的MnO/C相比,其电化学性能得到了明显的改善。在400 mAh g-1的电流密度下循环300周后,比容量仍然能够达到247 F g-1,容量保持率为80%。因此,MnO/GNS纳米复合材料更加适合作为锂离子电容器的负极材料。由此可见,制备综合性能优异的复合材料,并以此作为LICs的负极材料将成为未来锂离子电容器的研究重点。
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