金属氧化物/碳纳米纤维的制备及其电化学性能研究

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超级电容器作为一种新型的储能元件,具有较高的能量密度和功率密度,同时,快速的充电时间、长久的使用寿命、较强的抗电压波动性能以及免维护等优点备受人们关注。在电力系统、通讯行业、节能领域以及军事上都有广泛应用。而电极材料作为超级电容器的主体材料,决定了其应用价值。目前,对超级电容器电极的研究主要集中在开发具有高比表面积,控制孔径和孔径分布的炭质材料,以及研制具有高导电性的金属氧化物和导电高聚物材料上。而溶液喷射技术(Solution blowing)作为一种新颖方法可以制备出纳米级纤维,材料具有较高的比表面积,均匀的纤维直径以及较为集中的孔径分布,因其高效、节能、环保等优点逐渐受到国内外研究者的重视,并为开发新型超级电容器电极材料提供了新思路。本文以溶液喷射法为基础,将炭质材料与金属氧化物完美结合,制备出金属氧化物/碳纳米纤维,对其进行结构表征,以及电化学性能测试。主要研究内容如下:  以Zn(Ac)2和PAN为原料,采用溶液喷射技术制备纳米纤维,经过预氧化碳化后得到ZnO/CNFs,ZnO鳞片以数纳米的尺寸集中分布在单根CNF中。获得的材料比表面积为876.8m2/g,在电流密度为50A/g的充放电电流中,比电容达到172.5F/g。经过10A/g的恒流充放电,循环2000次后电容耗损率仅为5.41%。  以Mn(Ac)2和PAN为原料,通过溶液喷射法制备了Mn(Ac)2/PAN前驱体纤维,经过热处理后得到的MnO/CNFs平均直径为586.2nm,平均孔径15.25A,在50A/g的充放电测试中,比电容达到了205F/g,并且在1A/g的恒电流下,经过1000次循环,电容损失率仅为4.4%。  以Co(NO3)2、PAN为原料,运用溶液喷射法获得的Co(NO3)2/PAN纳米纤维,经过碳化处理变成了CoOx/CNFs。制备过程中,CoOx与CNF显现均相结构,氧化钴均匀分布在CNF的各个部分,中孔体积占材料总孔体积的25.42%,经过1A/g的恒流充放电测试,得到的比电容为216.7F/g,并且经过600次循环稳定性测试后,比电容维持在208F/g。在获得30.1Wh/kg的能量密度的同时,依旧拥有500W/kg的功率密度。
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