三維碳基過(guò)渡金屬氧化物復(fù)合材料的制備及儲(chǔ)能研究.pdf

1、伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展化石能源的消耗急劇增加并面臨枯竭，如何去開發(fā)新能源成為當(dāng)前急需解決的難題。開發(fā)的新能源需要進(jìn)行有效儲(chǔ)存，因此需要開發(fā)具備優(yōu)異儲(chǔ)能性能的器件。當(dāng)前能源儲(chǔ)存器件種類繁多尤以鋰離子電池和超級(jí)電容器的研究最為關(guān)注，原因在于鋰離子電池的高能量密度和超級(jí)電容器的高功率密度。但是兩者在比能量、比功率、壽命、安全性等方面存在不足，為了結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)避免劣勢(shì)，各采用兩者中的一極組裝成鋰離子超級(jí)電容器：即陰極（陽(yáng)極）發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，其對(duì)電

2、極發(fā)生離子的吸脫附過(guò)程。目前針對(duì)鋰離子超級(jí)電容器的研究主要分為正極和負(fù)極材料的開發(fā)：正極開發(fā)具有高比表面積的碳材料（介孔碳、三維石墨烯、碳?xì)饽z等）；負(fù)極材料著重利用傳統(tǒng)的鋰電負(fù)極材料（如Li4Ti5O12、TiO2、SnO2、錳氧化物等）。其中負(fù)極材料尤以過(guò)渡金屬氧化物的研究為重點(diǎn)，其突破的難點(diǎn)在于如何去提升其自身導(dǎo)電性、與集流體接觸性、以及如何減少其嵌鋰過(guò)程中的體相變化。本論文從負(fù)極材料入手，選擇P25型TiO2和錳氧化物為基礎(chǔ)，通

3、過(guò)構(gòu)建三維復(fù)合結(jié)構(gòu)以此來(lái)改善過(guò)渡金屬的嵌鋰性能，并與商業(yè)活性炭構(gòu)建從而得到具有優(yōu)異儲(chǔ)能性能的鋰離子超級(jí)電容器。其具體方法如下：
　　①HTPC//AC的構(gòu)建：通過(guò)控制不同的溫度氫化處理 P25，得到最佳 H-TiO2以此來(lái)增加材料主體的導(dǎo)電性；通過(guò)吡咯單體在常溫下的聚合來(lái)形成三維骨架結(jié)構(gòu)，其形成既有利于TiO2的分散且增加材料的導(dǎo)電性、減少嵌鋰過(guò)程中的極化現(xiàn)象以及鋰離子的可逆性；利用SWCNTs穿插復(fù)合結(jié)構(gòu)形成碳橋構(gòu)建具有三維網(wǎng)狀

4、結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料（定義為H-TiO2/PPy/SWCNTs, HTPC），其極大地增加了材料的循環(huán)性能。通過(guò)儲(chǔ)能測(cè)試發(fā)現(xiàn)在電流密度在0.1A/g下50圈循環(huán)后可逆容量為213mAh/g（以 TiO2的質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)），其比容量對(duì)比于原材料提高了2倍。將合成的復(fù)合材料與商業(yè)活性炭進(jìn)行組裝成LICs后，通過(guò)測(cè)試表明HTPC//AC體系具有最大能量密度為31.3Wh/kg，最大功率密度為4kW/kg。通過(guò)循環(huán)性能測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)在電流密度為0.5A/g

5、下其比容量循環(huán)3000圈后依然能保持77.8%（電壓區(qū)間為1.0-3.0V）。
　?、贛nOx/rGO//AC的構(gòu)建：采用商業(yè)氧化石墨烯（GO）作為原料，通過(guò)調(diào)節(jié)KMnO4的加入量、控制水熱時(shí)間，得到具有高比表面積的三維層狀結(jié)構(gòu)的MnOx/rGO復(fù)合材料；該合成方法簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，得到具有優(yōu)異嵌鋰性能的復(fù)合材料。這一獨(dú)特的三維層狀結(jié)構(gòu)能夠提供高的比表面以提升嵌鋰位點(diǎn)減少嵌鋰過(guò)程中的通道，同時(shí)得到的混合價(jià)態(tài)錳氧化物能夠提高復(fù)合材料的

6、可逆性。儲(chǔ)能測(cè)試結(jié)果表明：在電流密度為0.1A/g下（電壓區(qū)間為0-3.0V），50圈循環(huán)過(guò)后， MnOx/rGO-2的可逆容量仍然可以保持為750mAh/g，是單純石墨烯的兩倍（372mAh/g）。將三維層狀復(fù)合材料與商業(yè)活性炭組裝成鋰離子超級(jí)電容器之后，儲(chǔ)能測(cè)試表明MnOx/rGO//AC體系擁有最大的能量密度45.7Wh/kg，最大功率密度為5kW/kg；并且其循環(huán)3000圈后比容量依然能夠保持93.8%（電流密度為0.5A/g，