水系不對稱超級電容器高性能氧化鐵基負極材料的設(shè)計與研究.pdf

1、由于不可替代能源的不斷消耗以及迫在眉睫的環(huán)境問題，高效率能量儲存裝置已經(jīng)引起了眾多科學(xué)家的注意。超級電容器，也被稱為電化學(xué)電容器，因為能夠比傳統(tǒng)電容器提供更多的能量，被認為是一種新型的能量儲存裝置。然而，為了滿足日益提高的要求，現(xiàn)有超級電容器還需要在不損失其較高功率密度與較好循環(huán)性的同時進一步提高其能量密度。根據(jù)方程E=1/2CV2，我們可以通過增大電位窗口和容量兩種方式來達到目的。一種方法是構(gòu)建一種非對稱電容器來擴大超級電容器的電位窗

2、口至2.2 V左右。另一種方法是開發(fā)一種具有納米結(jié)構(gòu)的高電容高循環(huán)性能的材料。近年來，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了很多優(yōu)秀的正極材料。然而，現(xiàn)有的負極材料仍然存在很多問題，如較低的電容性能，較差的導(dǎo)電性等。因此，開發(fā)一種能夠與優(yōu)秀正極材料匹配的新型負極材料已經(jīng)迫在眉睫。
　　為了構(gòu)建非對稱超級電容器，結(jié)合高容量與高導(dǎo)電性特點的新型電極材料是必不可少的。因此，一系列負極材料，如MoO3-x，V2O5，VN，F(xiàn)e2O3已被開發(fā)并用于非對稱超級

3、電容器。在這一系列材料中，氧化鐵(Fe2O3)被認為是一種很有前途的電極材料，因為它具有較大的容量，儲量大，無毒等其他材料不具備的優(yōu)點。但是，氧化鐵電極仍有許多缺陷，如氧化鐵導(dǎo)電性較差，在高掃速下，氧化鐵電極的容量與功率密度較小。不僅如此，在較大的電位窗口下工作時，由于存在氧化還原反應(yīng)，電極材料的結(jié)構(gòu)易于坍塌，從而導(dǎo)致氧化鐵材料的循環(huán)性能較差。
　　本文中，第一個工作是，設(shè)計并制備了一種多層次四氧化三鐵@氧化鐵核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列(

4、Fe3O4@Fe2O3 NARs)，并將其作為非對稱超級電容器(ASC)的負極。結(jié)果表明，相比于純氧化鐵和四氧化三鐵納米棒陣列電極，四氧化三鐵@氧化鐵電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，（高達1206 F/cm3，質(zhì)量負載1.25毫克/平方厘米）以及良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。非對稱電容器也使用四氧化三鐵@氧化錳核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列(Fe3O4@MnO2 NARs)作為正極。我們還制造了電壓區(qū)間為2V的四氧化三鐵@氧化鐵為負極，四氧化三鐵@二氧化錳

5、為正極的非對稱超級電容器。得到了較高的能量密度與功率密度(在15.6 mW/cm3(500 W/kg)的功率密度下，能量密度為0.83 mWh/cm3(26.6 Wh/kg)。這項工作第一次證明我們可以通過引入四氧化三鐵基底來解決一系列阻礙氧化鐵應(yīng)用的難題。
　　為了解決氧化鐵循環(huán)性差的難題，在第二個工作中，我們采用了一種簡單的方法，設(shè)計并制備了氧化鐵@氧化鈦核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列材料。由于氧化鐵是在氬氣氣氛中熱處理得到，氧化鐵中含有