高性能水系不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器新型負(fù)極材料的研究.pdf

1、超級(jí)電容器，也被稱(chēng)作電化學(xué)電容器，其作為很多設(shè)備的儲(chǔ)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(dòng)車(chē)輛上的應(yīng)用，得益于超級(jí)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(jí)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(jì)算公式E=1/2CV2，超級(jí)電容器的單位比能量(E)可以通過(guò)提高其輸出電壓(V)或者單位比電容(C)來(lái)提高。提

2、高超級(jí)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?cè)趯?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(duì)稱(chēng)超級(jí)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(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器是一種很有前景的新方向。對(duì)于不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器，具有良好獨(dú)立電勢(shì)窗口的不同的負(fù)極和正極電極材料用來(lái)匹配，以使不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的輸出電壓達(dá)到最大化。很多研究者

3、選擇過(guò)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(duì)稱(chēng)超級(jí)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(shì)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(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器正極材料。然而，大部分不對(duì)稱(chēng)超級(jí)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(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器中，高比電容的負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)仍然面臨巨大的考驗(yàn)。
　　本研究通過(guò)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(guò)微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)測(cè)試分析，也顯示出了其是一種很具有前景的不對(duì)稱(chēng)超級(jí)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(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。其在功率密度為225 W kg-1時(shí)，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(shí)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(duì)稱(chēng)超級(jí)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(duì)稱(chēng)超級(jí)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(gè)主要工作中，通過(guò)一種簡(jiǎn)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(duì)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(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。這種不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器在功率密度為100 W kg-1時(shí)，可以達(dá)到50.7 Wh kg-1的高能量密度，同時(shí)其還具有優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性