嵌有氧化鐵的鈦酸鈉納米片電極的制備及儲(chǔ)能器件的研究.pdf

1、隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的儲(chǔ)能裝置被開(kāi)發(fā)和使用。超級(jí)電容器是一種常見(jiàn)的介于充電電池和傳統(tǒng)物理電容器的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充電速度快、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。對(duì)于超級(jí)電容器的研究主要集中在制備和研發(fā)高性能的電極材料。常見(jiàn)的電極材料有碳材料，過(guò)渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等。每種材料有各自的優(yōu)點(diǎn)，也有不足，比如碳材料的比電容不高，過(guò)渡金屬氧化物的導(dǎo)電率低等。針對(duì)以上問(wèn)題，人們提出了對(duì)電極材料進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)、修飾和改

2、性等方法。其中，設(shè)計(jì)制備復(fù)合材料是當(dāng)前改善電極性能最具潛力的策略。本論文通過(guò)水熱法合成了嵌有氧化鐵的鈦酸鈉納米片陣列，研究了其材料組成和結(jié)構(gòu)，討論了其在不同溶液中的電化學(xué)性能，并分別與錳酸鋰和銅鎳氧化物搭配組成混合超級(jí)電容器，測(cè)試其性能。具體研究?jī)?nèi)容包括：
　?。?）通過(guò)水熱法直接在鈦片基底上生長(zhǎng)出嵌有氧化鐵的鈦酸鈉納米片陣列。通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)，鈦酸鈉納米片具有層狀結(jié)構(gòu)，提供溶液離子嵌入和脫出通道。在脫嵌的過(guò)程中，材料中氧化鐵被氧化還

3、原提供電容量。反應(yīng)過(guò)程中，層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鈉產(chǎn)生的形變較小，嵌入的氧化鐵被有效保護(hù)，維持著材料的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。活性材料在硫酸鈉溶液中工作在-1.0~0.2V的電壓窗口，具有一對(duì)較對(duì)稱的氧化還原峰，放電曲線呈S型。在不需要其他任何修飾和改性的情況下，2000次循環(huán)測(cè)試后仍有78％的電容保留率。
　?。?）考察不同陽(yáng)離子在活性材料中的脫嵌性能以及陰離子的影響。選取了Li2SO4、Na2SO4、K2SO4，LiCl、NaC

4、l、KCl，LiOH、NaOH、KOH九種溶液進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)Li+、Na+、K+三種離子均能有效脫嵌活性材料，形成一對(duì)氧化還原峰，且展現(xiàn)了良好的可逆性。陰離子對(duì)活性材料的電化學(xué)過(guò)程、電容量和阻抗都有一定的影響。與中性溶液相比，活性材料在堿性溶液中的氧化還原峰更對(duì)稱，循環(huán)性能更好。2000次循環(huán)測(cè)試后，在九種溶液中的電容保留率分別為80%、78%、85%，85%、82%、90%，89%、87%、98%。
　?。?）以嵌

5、有氧化鐵的鈦酸鈉納米片陣列作負(fù)極，錳酸鋰作為正極，硫酸鋰作為電解液，組合成非對(duì)稱超級(jí)電容器。結(jié)果表明，該超級(jí)電容器具有1.9V的高電壓窗口，電流密度為0.5mA cm-2時(shí)，面積比電容達(dá)到了92.6mF cm-2。類似的，以嵌有氧化鐵的鈦酸鈉納米片陣列作負(fù)極，銅鎳氧化物作為正極，氫氧化鈉作為電解液，組合成非對(duì)稱超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器工作電壓為1.65V，電流密度為0.5mA cm-2時(shí)，面積比電容達(dá)到了104.9mF cm-2，具有良