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Matched mno@c anode and porous carbon cathode for Li-ion hybrid supercapacitors

Rare Metals 2023年第6期42卷 1959-1968页

作者： cui-Hua An Yue-Qing Li Shuai Wu Ling-Xiao Gao Li-Yang Lin Qi-Bo Deng Ning Hu Key Laboratory of Hebei Province on Scale-Span Intelligent Equipment Technology and School of Mechanical EngineeringHebei University of TechnologyTianjin300401China Wuhan Green Power Hydrogen Energy Technology co. LTDWuhan430000China The Green Aerotechnics Research Institute of chongqing Jiaotong University Chongqing401120China State Key Laboratory of Reliability and Intelligence Electrical Equipment Hebei University of TechnologyTianjin300130China Institute of Materials Physics and Technolgy Hamburg University of TechnologyHamburg21073Germany

Holding a promise of achieving high power and energy densities,Li-ion hybrid electrochemical capacitors present a crucial future direction for energy storage devices.However,technical challenges remain to appropriately couple both high-power capacitor-type and high-energy battery-type electrode materials within a same device.In addition,the current electrode materials in the device are usually prepared separately,which leads to lengthy preparation,time-consuming and high-cost.In this work,we report a simple method to prepare porous carbon materials(Pc) with and without mno nanoparticle cores,which function as very unique anode/cathode pairs for very high-performance Li ion hybrid supercapacitor.Taking the respective merits of high Li storage capacity from the mno@c anode and high-rate performance from the Pc cathode,the resulted device exhibits a remarkable energy density of 89 Wh·kg^(-1)(at 48 W·kg^(-1)) and can reach a battery-inaccessible power density of 18 kW·kg^(-1)(at 45Wh·kg^(-1)).

关键词： Li-ion hybrid supercapacitors Structural affinity mno@c Porous carbon(Pc) High energy density

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锰基氧化物的制备及其电化学性能

锰基氧化物的制备及其电化学性能

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作者：曹会丽山东大学

学位级别：硕士

为了能够满足社会发展对能源系统的需求,人们开始不断地探索较为高效的储能设备。锂离子电池和超级容器是目前新型储能技术的代表,因为它们具有较高的能量密度、较大的功率密度、对环境友好等优点。而电极材料选择是决定储能设备性能的... 详细信息

为了能够满足社会发展对能源系统的需求,人们开始不断地探索较为高效的储能设备。锂离子电池和超级容器是目前新型储能技术的代表,因为它们具有较高的能量密度、较大的功率密度、对环境友好等优点。而电极材料选择是决定储能设备性能的一个重要因素。过渡金属氧化物因具有较高理论容量且安全性能好,因此成为了电极材料首选。其中以锰作为基体的氧化物在自然界中储量大,价格低廉,是极具前景电极材料。但是这类氧化物导电性能较差而且在充放电过程中会发生体积变化,致使结构破坏。为了解决这些问题,人们经常将氧化物与碳材料进行复合,或者制备成特殊结构。本文的主要研究内容如下:1.在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的辅助下,利用水热的方式成功地合成了四氧化三锰(Mn3O4),并通过控制实验验证了 PVP对八面体结构形成和分散性影响。并对前驱体进行吡咯碳包覆后得到了碳包覆的氧化亚锰(mno@c),进行锂离子电池性能研究发现其展现了优异的电化学性能。当在100 mAg-1电流密度条件测试时,经过80圈的循环后,容量仍然稳定在560 mAh g-1。进行倍率性能测试时,提高电流密度到200、400和800 mAg-1,容量分别能够达到为526、432和304 mAh g-1。与纯八面体的Mn3O4前驱体进行对比发现,mno@c具有更好的锂电性能。这是因为金属氧化物通过与碳材料复合能够有效地缓冲充放电过程中mno所产生的体积变化,而且也能够提高mno导电性。2.利用二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇混合溶剂进行溶剂热和煅烧两步方法成功地合成了多孔正六边形结构的锰酸锌(ZnMn2O4)。实验发现,不同煅烧温度所形成的样品形貌和结晶性有所差异。用作锂电负极材料时,高温得到的结晶性较好的多孔正六边形ZnMn2O4要比低温下得到的ZnMn2O4性能更为优异。在电流密度100 mA g-1的条件下循环200圈,容量达到716 mAh g-1,而且它也有一个很好的倍率性能。当制备成超电电极材料时,1Ag-1的电流密度下循环2000圈容量也高达340 F g-1。这些较好的电化学性能主要是因为多孔结构有利于离子在活性物质表面的反应从而提高电极材料的容量。3.二维层片状结构的棒状钼酸锰(MnMoO4)在表面活性剂PVP的帮助下利用简单的水浴法合成,实验结果表明PVP的参与对棒状结构和粒径分布有着重要的影响。将所制备的样品利用三电极在电流密度1 A g-1的条件下进行超电性能测试时,该样品的容量能够在充放电2000圈后依然保持在109 c g-1。提高电流密度后,容量仍可以保持在一个很高数值。棒状的MnMoO4表现出了优异的循环性能和倍率性能主要是由于二维的纳米片提高了活性物质表面与电解液之间的接触从而促使了电解质的扩散和电荷转移。

关键词：锂离子电池超级电容器 mno@c MnMoO4 ZnMn2O4 电化学性能

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纳米锰基复合材料的可控合成及电极性能的研究

纳米锰基复合材料的可控合成及电极性能的研究

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作者：任伟阳燕山大学

学位级别：硕士

锂离子电池(LIBs)凭借能量密度高、循环寿命长和安全可靠等优点广泛应用于诸类电子产品、大规模储能电站和纯(混合)电动汽车等领域。因为传统的石墨锂电负较低的理论比容量(372 mAh g)极大了限制了先进LIBs的发展,所以开发出一个高性能... 详细信息

锂离子电池(LIBs)凭借能量密度高、循环寿命长和安全可靠等优点广泛应用于诸类电子产品、大规模储能电站和纯(混合)电动汽车等领域。因为传统的石墨锂电负较低的理论比容量(372 mAh g)极大了限制了先进LIBs的发展,所以开发出一个高性能负极材料迫在眉睫。在众多的负极材料中一氧化锰(mno)拥有相对低的电压滞后、电动势低、理论容量较高、环境友好和地壳含量丰富等优点,成为一个很具有发展前景的负极材料。然而,由于在转化反应期间大量的体积变化、缓慢的反应动力学和本身低的电导率等问题,所以mno的倍率性能和循环性能受到了极大地的影响。针对mno的缺陷,本论文采用mno与碳材料进行复合,选取最简单有效的碳包覆方式,以一维纳米锰基化合物(mnoOH纳米线、mno纳米棒)为前驱体,经过KNO处理后,得到一维Kmno为自模板,经过原位聚合、简单退火形成N掺杂的碳层,核为mno的一维纳米核壳结构(mno@c)。此结构在储能方面具有诸多优势,比如电子连续定向传递,短的锂离子扩散路径,碳层防止mno结块、减少副反应和体积膨胀以及保持电极结构稳定等。通过比较经过KNO处理和未经过KNO的mno@c的电化学性能和材料结构表征的差别,经过KNO处理的mno@c材料具有更高的石墨化程度,而且具有部分非晶特性,这是经过KNO处理的mno@c的电化学性能更加优异的决定性因素。由于经过KNO处理的mno@c的导电性能更好,具有更低的吉布斯自由能,使其脱嵌锂的能力更加的出众,而且在充放电过程中较结晶性材料产生的体积膨胀更小,由缺陷和空位引起的额外活性位点以及快速的离子扩散这些特点都是有利于电化学电荷存储的。所以以mnoOH纳米线为前驱体,经过KNO处理的mno@c具有比较优异的倍率性能,在0.1、0.5、1和3 A g时,容量分别为867、690、585和384 mAh g,甚至在5 A g是容量还能到238 mAh g;而且在大的电流密度1 A g下循环600次后容量达到666 mAh g,容量几乎没有衰减,表现出良好的循环性能。另外,以mno纳米棒为前驱体时,经过KNO处理得到mno@c更具备高性能的特点,在0.1 A g时,超高的倍率可逆容量达到了1105 mAh g,甚至在5 A g的大电流密度下,容量还能高达471 mAh g;而且在0.5 A g的电流密度下循环400次,容量高达1128 mAh g,保持率高达到112%。

关键词：一维纳米核壳结构锂离子电池部分非晶化 mno@c KNO3

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