二元金属氧化物及其杂化材料电容性能研究

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超级电容器,作为一种新型能源存储设备,同时具有传统电容器高功率密度和电池高能量密度的特点。因其充放电速度快、环境友好、可靠性高、适应温度范围广等优点而被广泛应用于诸多领域。作为超级电容器核心,电极材料在其性能中起着重要的决定性作用。在目前报道的超级电容器电极材料中,过渡金属氧化物具有高于碳材料的比容量和优于导电聚合物的循环稳定性,是最有潜力成为未来高比能量超级电容器的电极材料,正成为当前的研究热点。本论文主要开展基于Co、Mn基二元金属氧化物及其杂化材料的合成与其电容性能的研究,其具体研究内容如下:(1)通过简单的溶剂热法和氮气下煅烧成功制备了CoWO4材料。采用XRD、SEM、TEM、EDX、XPS等手段对其形貌、结构和成分进行了表征。利用CV、GCD、EIS测试对CoWO4材料进行电化学表征。结果表明,制得的CoWO4具有优异的电化学性能,在电流密度为0.5 A g-1下,其比电容值达到了208.54 F g-1,当电流密度增至10 A g-1时,其电容量仍保持原有的62.4%,展现出了良好的倍率性能。在循环稳定性测试中,CoWO4在循环1000次后比电容值还保持了94.7%,表明其具有较好的循环稳定性能。除此之外,不同煅烧温度的CoWO4表征表明随着煅烧温度的升高,材料结晶度越高,然而其电容性能越差。(2)通过简单的溶剂热法和氮气下煅烧成功制备了MnWO4和Co掺杂MnWO4杂化材料。由于Co元素的掺杂,使得MnWO4比电容有所提高,其在电流密度为0.5 A g-1下,比电容值达到了252.6 F g-1,比单独的MnWO4比电容值提高了185.6%。且在10 A g-1的电流密度下,电容保持率为60.6%,大于单独的MnWO4的电容保持率,显示出了良好的倍率性能。除此之外,不同煅烧温度的Co掺杂MnWO4表征表明随着煅烧温度的升高,材料结晶度越高,然而其电容性能越差。对应用于超级电容器电极材料的Co掺杂MnWO4而言,其最佳反应温度为400°C。(3)首次通过一种简单的微波辅助溶剂热合成方法成功制得3D多孔Co2(OH)3Cl-MnO2微球杂化材料。由于纳米片塑造而成的花状结构,其结构促进了电子/离子传递并最大活化了Co2(OH)3Cl-MnO2杂化材料,其最大比电容达到了942.2 F g-1,该值明显大于先前文献所报导的Co2(OH)3Cl或者Mn O2的电容值。而且,本工作还使用Co2(OH)3Cl-Mn O2作为正极材料,活性碳(AC)作为负极材料组装成非对称电容器,在1 A g-1的电流密度下,比电容达到了49.26 F g-1,在功率密度为679.10 W kg-1时,能量密度达到了12.62 Wh kg-1,除此之外,该组装的非对称电容器在循环5000次后电容量仍保持83.77%。
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