金属氧化物纳米复合材料的合成及其在超级电容器中的应用

作     者：赵瑞峰 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘军枫

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：二氧化钒 纳米带 镍锰氧化物 纳米阵列 全固态超级电容器 混合超级电容器 

摘      要：超级电容器作为新型储能装置,与传统电容器、二次电池、燃料电池、锂离子电池相比,具有功率密度高、循环稳定性好、操作温度范围广等特点,近年来受到广泛关注。其中,过渡金属氧化物(例如氧化钒,氧化镍,氧化锰和氧化钴等)价格低廉、储量丰富、能量密度高,被认为是最有前景的储能电极材料之一。本论文以二氧化钒和氧化镍两种过渡金属氧化物为研究对象,以提高电极材料导电性和优化电化学反应特性为目的,设计合成VO2(B)纳米带/石墨烯复合物与镍锰氧化物纳米阵列材料,分别组装为全固态超级电容器和混合超级电容器,全面表征和分析样品形貌及结构,并对电极材料和器件的电化学性能进行详细研究。本论文研究内容包括以下两个方面:1、以甲酸为还原剂和pH调节剂,水热条件下将偏钒酸铵还原为高长径比VO2(B)纳米带,然后将其与氧化石墨烯混合,并经过水合肼还原过程获得了 V02()纳米带/石墨烯复合物。利用石墨烯和V02(B)纳米带良好的成膜能力,采用抽滤法得到V02(B)纳米带/石墨烯复合薄膜。三电极体系下,复合物的比电容、倍率特性和稳定性与纯相VO2(B)纳米带相比显著提高,在1 Ag-1时,比电容达到353 F g-1。经过500次充放电循环,比电容保持率为80%。其优异的电容性能主要归因于二氧化钒纳米带与易折叠的石墨烯片相互连接,形成多孔网状结构,利于离子和电子传输,提高了 V02(B)纳米带导电性,从而改善了 VO2(B)纳米带超电容性能。将合成的VO2()纳米带/石墨烯组装成的全固态对称超级电容器表现出良好的储能性能,实现了高能量密度(9Whkg-1,250Wkg-1)。另外,在10A g-1电流密度下经过10000圈充放电测试,其仍具有78%的比电容保持率。2、为提高镍基材料倍率特性和稳定性,向氧化镍中引入电负性比Ni2+低的Mn2+,利用Ni/Mn双金属氧化物诱导效应,提高电化学反应效率,使其在高电流密度和长期充放电循环测试表现出更高的倍率特性和稳定性。我们利用水热共沉淀法在泡沫镍基底生长锰掺杂氧化镍纳米阵列(Mn-NiO)。三电极体系下,Mn-NiO具有超高比电容1166Fg-1(4.9F cm-2)、优异的倍率特性(75%)和极好的循环稳定性(30mAcm-2条件下,经过10000次循环其比电容没有下降),其性能远优于纯相氧化镍纳米阵列电极(比电容为574Fg-1,倍率特性43%,10000次循环后比电容衰减29%)。以Mn-NiO为正极,碳纳米管掺杂石墨烯气凝胶为负极,匹配组装成的混合超级电容器表现出较高的能量密度(23.3 W h kg-1,149.8 W kg-1)。另外,该混合超级电容器器件表现出超高的循环稳定性,在6 Ag-1的电流密度下经过50000次循环比电容没有下降。Mn0.26Ni0.74O-NSA良好的容量特性、倍率特性以及循环稳定性主要归因于Ni/Mn诱导效应导致氧化还原反应速率的提升。