Mn基金属氧化物电极材料的制备及超电性能研究

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超级电容器(SCs)是介于传统电容器与电池之间的新型储能装置,具有容量大、功率密度高、循环寿命长、充放电效率高、免维护、经济环保等优点,它已成为世界各国新能源领域的研究热点。然而低能量密度和较高的成本是目前SCs面临的主要挑战,其中电极材料是影响SCs性能和生产成本最关键的因素。因此,开发低成本、高效稳定的电极材料是使SCs广泛应用于储能领域的关键。高导电性和合理的结构设计是提高电极材料超电容性能的两个关键途径。因此,研究人员致力于研发各种促进离子扩散的纳米结构。其中,具有开放网络和自由孔隙的集成纳米结构可以有效防止活性材料在电化学反应过程中可能的聚集,从而确保电极材料的高利用率。本文采用碳布(CC)和泡沫镍(NF)两种不同的生长基板生长Mn基金属氧化物,并研究其超电容性能。本论文主要开展了以下工作:1.采用简单的水热法制备了在碳布上生长的超细MnO2纳米线,表现出了具有杂草形态特征的互联网络结构。独特的结构特征可以促进电解质快速扩散和电子的快速转移。该材料作为无粘结剂电极表现出了较高的比容量(在电流密度为2 A/g时比电容为1174.3 F/g),优异的倍率特性(在电流密度为40 A/g时比电容为927 F/g),良好的循环稳定性(10,000次循环后,电容下降了0.1%)。2.采用一步水热法在高导电泡沫镍衬底上生长具有丰富空隙和有序排列的超薄MnMoO4纳米片阵列(NF@MnMoO4),其结构暴露大量电化学活性位点,具有加速离子迁移和电荷转移,提高氧化还原反应效率等优点。作为超级电容器的集成无添加剂电极,优化的NF@MnMoO4电极在1 A/g的电流密度下表现出超高比电容4609 F/g,即使在电流密度高达20 A/g时比电容也保持在2800 F/g。同时,NF@MnMoO4电极在20,000次循环后的电容保持率为92.4%,这显示了其极好的循环寿命。3.以NF@MnMoO4纳米片阵列为正极,活性炭(AC)为负极组装的非对称超级电容器(ASCs)在功率密度为753.9 W/kg时,能量密度为76.9Wh/kg。此外,ASCs具有良好的循环稳定性(2,000次循环后电容保持率为90.4%),这表明了它在高性能ASCs器件中的巨大应用潜力。
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