锰酸镍@石墨化碳片复合结构阵列的设计合成及其在储能器件的应用

作     者：欧阳娅 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王煜

授予年度：2016年

学科分类：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：三明治 石墨化碳 镍锰氧化物 超级电容器 锂离子电池 

摘      要：超级电容器(SCs)和锂离子电池(LIBs)是很有发展潜力的储能装置,因其具有能量密度高、寿命长、环境友好、安全等优点倍受人们关注。目前超级电容器和锂离子电池已经广泛用于便携式电子设备中,比如笔记本电脑、手机、摄像机、遥控器等电子产品。由于纳米材料的特殊性能及其在众多领域的广泛应用,尤其是在生物医学、与能源相关以及电子领域中,选择性合成纳米材料变得越来越重要。而合成纳米材料的一种有效方法是结合活性材料与辅助材料制备功能体系。对于活性材料,过渡金属氧化物则是最有前景的活性材料之一,因为它在光学、磁学、催化剂、电学领域有其独特性能,特别是在电化学能量储存领域。本文首次合成了新型镍锰氧化物@石墨化碳片三明治复合结构阵列,其作为超级电容器和锂离子电池材料展示了优良的性能。本文以超薄的层状双氢氧化物(NiMn-LDH)纳米片作为前驱物和牺牲模板,葡萄糖分子作为绿色碳源。而葡萄糖碳源首先通过水热反应,再和前驱物的氢键作用下,转变成了聚合层,然后在惰性气体下高温煅烧转变成了石墨化碳片,与此同时,NiMn-LDH纳米片在高温与碳片的作用下经过分解和还原反应转化成镍锰合金纳米颗粒包覆在碳片中。最后,样品在空气中高温煅烧200分钟,使镍锰合金纳米颗粒转化成NiMn2O4纳米颗粒包覆在碳片中。由于本文合成的三明治复合材料有效地结合了NiMn2O4功能纳米颗粒和石墨化碳片的优势,因而其在电化学能量存储方面具有协同作用。其作为超级电容器和锂离子电池材料呈现出优良的电化学性能,尤其体现在大电流充放电性能,循环性及使用寿命上。实验通过采用XRD、EDS、TEM、SEM、BET及电化学测试来表征、分析所合成的三明治状复合材料的形态及性能。本实验合成的三明治状复合材料由于有石墨化碳层和导电基底,使其不仅可以提高电导率,还能有效防止纳米粒子的团聚和活性材料的坍塌,是优良的储能材料。其作为超级电容器的电极材料,在电流密度为1 A/g时,比电容量高达2679 F/g,经过6000次循环以后,比容量还能保持98%以上。其作为锂离子电池负极材料,在电流密度为500mA/g时,首次循环的比容量高达1346 mAh/g,在200次循环内,其库伦效率接近100%。