高性能水系不對稱超級電容器新型負(fù)極材料的研究.pdf

1、超級電容器，也被稱作電化學(xué)電容器，其作為很多設(shè)備的儲能系統(tǒng)已經(jīng)引起很大的關(guān)注。例如手提電子器件和電動車輛上的應(yīng)用，得益于超級電容器的高功率密度，快速充放電，優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性，以及低維護(hù)成本等所需的特性。然而，要滿足各種在各種電子器件上的實(shí)際應(yīng)用，目前的超級電容器的能量密度還需要在不犧牲其功率密度的基礎(chǔ)上很大的提高。根據(jù)能量密度計算公式E=1/2CV2，超級電容器的單位比能量(E)可以通過提高其輸出電壓(V)或者單位比電容(C)來提高。提

2、高超級電容器工作電壓的一種直接有效的方法就是使用離子液體或者有機(jī)電解液，但是由于其離子電導(dǎo)率低，循環(huán)壽命短，而且有毒性，這使得它們在實(shí)際應(yīng)用中不常用。另一種更加令人滿意的策略就是構(gòu)建不對稱超級電容器，并使用離子傳輸快的環(huán)境友好的水系電解液。用成本低、環(huán)保的水系電解液組裝不對稱超級電容器是一種很有前景的新方向。對于不對稱超級電容器，具有良好獨(dú)立電勢窗口的不同的負(fù)極和正極電極材料用來匹配，以使不對稱超級電容器的輸出電壓達(dá)到最大化。很多研究者

3、選擇過渡金屬氧化物作為正極，選擇碳基材料作為負(fù)極去組裝不對稱超級電容器。在中性水系電解液中，二氧化錳(MnO2)基材料由于其在正電勢窗口下優(yōu)越的電化學(xué)性能，已經(jīng)發(fā)展成一種出色的不對稱超級電容器正極材料。然而，大部分不對稱超級電容器的負(fù)極材料仍然使用的是活性炭(AC)，這使得其能量密度得不到更多的提高。在高能量密度不對稱超級電容器中，高比電容的負(fù)極材料的開發(fā)仍然面臨巨大的考驗(yàn)。
　　本研究通過水熱法合成制備了鐵酸錳/石墨烯(MnFe

4、2O4/G)納米復(fù)合材料，通過微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)測試分析，也顯示出了其是一種很具有前景的不對稱超級電容器負(fù)極材料。我們用鐵酸錳/石墨烯(MnFe2O4/G)納米復(fù)合材料作負(fù)極，用二氧化錳/碳納米管(MnO2/CNT)納米復(fù)合材料作正極，1 mol L-1的硫酸鈉溶液作電解液，組裝了一種1.8V的不對稱超級電容器。其在功率密度為225 W kg-1時，能量密度達(dá)到了25.9 Wh kg-1;其功率密度達(dá)到14.4 kW kg-1的時候，仍然

5、保持著18.11Wh kg-1的很高的能量密度。除了高的能量密度和功率密度外，MnFe2O4/G//MnO2/CNT不對稱超級電容器表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。氧化鐵，盡管被認(rèn)為是一種很具前景的的不對稱超級電容器負(fù)極材料，但氧化鐵基電極的比電容比較低，而不能很好地用于全電容中與正極相匹配。在我們的第二個主要工作中，通過一種簡易可行的方法，制備了由分散良好的氧化鐵量子點(diǎn)（大約2nm）負(fù)載在熱剝離的石墨烯片層上構(gòu)成的復(fù)合材料

6、。在1mol L-1的硫酸鈉溶液中，制備的氧化鐵/熱剝離石墨烯復(fù)合材料的比電容在-1到0V（相對于Ag/AgCl參比電極）的電壓區(qū)間可達(dá)到347 F g-1。我們還利用制備的氧化鐵量子點(diǎn)/熱剝離石墨烯作負(fù)極、二氧化錳/熱剝離石墨烯作正極、1mol L-1的硫酸鈉溶液作電解液，組裝了一種2V的不對稱超級電容器。這種不對稱超級電容器在功率密度為100 W kg-1時，可以達(dá)到50.7 Wh kg-1的高能量密度，同時其還具有優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性