碳复合锰氧化物的锂离子混合超级电容性能研究

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随着电动车和便携式电子设备的发展,人们对高性能储能系统的需求不断的增加,锂离子混合超级电容器结合了超级电容器和锂离子电池的优点,具有广阔的应用前景和重要的研究价值。但是电池型材料较低的倍率性能和循环稳定性带来与电容型材料性能的不匹配问题,阻碍了锂离子混合超级电容器的应用。为此本文以锰氧化物基活性材料为研究对象,通过与碳基材料复合的方式解决锰氧化物在充放电过程中产生的团聚及体积膨胀问题,提高锰氧化物的电池反应动力学和稳定性,实现与电容型材料性能的匹配。主要的研究内容包括:(1)利用石墨烯的高表面分散作用和高导电性防止MnO的团聚并提高其导电性,复合电极材料实现了更高的比容量、倍率性能和循环寿命。利用氨水和NaOH分别作为沉淀剂,在石墨烯表面制备出均匀复合的MnO纳米颗粒,合成了MnO/rGO-NH3·H2O和MnO/rGO-NaOH两种复合材料。石墨烯的表面分散作用及MnO的颗粒状分布防止MnO的团聚并且缓冲了其充放电过程中的体积变化,从而使复合电极材料表现出良好的锂离子储能性能。MnO/rGO-NH3·H2O和MnO/rGO-NaOH均表现出比纯MnO样品更高的比容量、倍率性能和循环寿命。与MnO/rGO-NH3·H2O相比,MnO/rGO-Na OH样品因MnO颗粒更加均匀的空间分布和更小的尺寸而表现出更好的储能性能。(2)利用含锰金属有机骨架(MOF)作为前驱体成功地衍化成MnO/C复合电极材料,提高了MnO的循环稳定性和倍率性能。采取偏苯三酸作为有机配体制备出含锰MOF,经过高温分解制备出MnO/C复合电极材料。MnO/C呈多孔的中空球状结构,表面具有突起能够提供更大的比表面积。碳基体缓冲MnO在充放电过程中的体积变化而提高其循环稳定性,同时降低MnO的电荷传输阻力而改善其倍率性能。(3)研究了不同锰氧化物复合电极材料的锂离子储能性能。在氧化石墨烯存在的条件下还原KMnO4合成出Mn3O4/rGO复合材料。Mn3O4呈颗粒状复合于rGO纳米团簇中,有效地防止Mn3O4的团聚并且提高了其导电性。Mn3O4/rGO电极在500个循环后的放电/充电比容量为733/729 mAh g-1,表现出比MnO/rGO和纯Mn3O4电极更高的锂离子储存容量及循环稳定性。将Mn3O4/rGO作为锂离子混合超级电容器的负极材料,与活性炭正极组装锂离子混合超级电容器实现了良好的循环稳定性。
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