金屬氧化物納米復(fù)合陣列的制備及其儲能應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會對能源需求的增加，人們對大容量高功率儲能設(shè)備的要求也越來越高。納米材料由于其具有的小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)而受到人們的廣泛研究，并在現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，同時也被視為下一代儲能器件的關(guān)鍵性技術(shù)。在各種納米材料中，納米陣列材料，由于其相比于其它納米結(jié)構(gòu)有著更為優(yōu)異的性能而受到研究工作人員的廣泛關(guān)注，并被視為未來能源技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。納米陣列材料所具有的特性有:(1)能提供直接的電子

2、傳輸通道，提高電極材料的導(dǎo)電性;(2)減少離子在活性物質(zhì)中的擴(kuò)散距離，增強(qiáng)材料的倍率性能;(3)極大的比表面積，增加電極材料與電解液的接觸面，減少充放電時間;(4)更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，能承受更大的體積膨脹和機(jī)械降解;(5)直接生長在集流體上，能省去導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的使用;(6)其較為松散的結(jié)構(gòu)和形貌較易于構(gòu)建更多種類的復(fù)合材料，并在不同材料之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng);(7)相比于粉體材料，納米陣列材料有著更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，因而會對環(huán)境產(chǎn)生的影響更小，而且

3、更加安全。
　　同時納米陣列材料還存在許多的缺陷，嚴(yán)重的制約了其在儲能器件方面的大規(guī)模應(yīng)用。相比于其它納米材料，納米陣列材料的制備過程相對更加復(fù)雜，制備成本更加高昂，不利于大規(guī)模生產(chǎn);而且陣列材料在一維尺度上受到限制，使得陣列材料只能作為薄膜材料使用。在本論文中，通過探索不同陣列材料的生長過程，著力于克服其在制備與一維尺度上的困難與限制，以及通過特殊的方法將那些不能生長出納米線陣列的材料制備成納米線陣列的形貌。此外同時還進(jìn)一步的研

4、究如何提高電極材料的性能，是得其能夠進(jìn)一步的被大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。本文的主要研究工作有以下幾個方面:
　　1、利用水熱法，首先在碳布基底上得到了生長均勻的MnO2納米片薄膜。同時針對MnO2材料性能的不足與缺陷，設(shè)計了新型的MnO2/PPy復(fù)合納米薄膜材料。通過對其導(dǎo)電性的改善而提高了其電化學(xué)穩(wěn)定性與倍率性能，通過對MnO2納米材料在不同條件的電解質(zhì)下所裝配的電容器進(jìn)行阻抗分析，得到了實(shí)驗(yàn)性能最好的H3PO4/PVA凝膠電解質(zhì)。該電解

5、質(zhì)不僅對氧化錳的性能有一定的幫助，同時還使得MnO2/PPy復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用更有優(yōu)勢。得益于電極材料的優(yōu)越性能與電解質(zhì)的穩(wěn)定，該準(zhǔn)固態(tài)超級電容器的最高能量密度可以達(dá)到2.04μWhcm-2，同時其最高功率密度可以達(dá)到0.432mW cm-2，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電容性能。該電容器同時在0.8V高電壓的條件下穩(wěn)定循環(huán)1000次之后，仍能保持93.2％的初始容量，進(jìn)一步證明了MnO2/PPy復(fù)合納米薄膜材料有著極其穩(wěn)定的電化學(xué)性能。
　　

6、2、通過對ZnO生長機(jī)理的研究，利用晶體成核與生長的特性，成功的掌握了ZnO納米線陣列可控生長的方法，并能得到幾十微米長的超長ZnO納米線陣列。然后通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，成功的在ZnO納米線陣列的表面裝載了大量的MnO2活性物質(zhì)。通過研究MnO2生長的條件以及隨后樣品的電化學(xué)性能，成功的篩選并得到了有著超高面積比容量的ZnO/MnO2復(fù)合納米線陣列材料，極大的提高了MnO2材料在超級電容器方面的實(shí)用性。通過進(jìn)一步的電化學(xué)測試，證實(shí)了該材料優(yōu)異

7、的電化學(xué)性能。該電極材料有著最大112mF cm-2的超高容量，并有著較為優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，在1000次循環(huán)后仍然能保持81mF cm-2容量。遠(yuǎn)高于一般薄膜電極的超高容量，使其更具有商業(yè)應(yīng)用的價值。
　　3、通過巧妙的設(shè)計，利用簡單的水熱法及電沉積法制備合成了TiO2-MoO3核殼納米線陣列電極材料。TiO2-MoO3核殼納米線陣列由于其獨(dú)特的形貌，其各個材料之間的協(xié)同效應(yīng)有:(1)TiO2材料在鋰電池充放電過程中（即使是在高

8、倍率電流密度下）表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其體積膨脹在反應(yīng)過程中幾乎沒有，因而作為支柱材料可以極大的提升MoO3材料整體的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能;(2)MoO3納米殼層材料，能提供相對較大的容量和較高的電導(dǎo)性;(3)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計能簡化電極材料的制備過程，以及提供活性材料與集流體之間直接的電子傳輸渠道;(4)三維電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計極大的提高電極材料在單位面積上負(fù)載的活性物質(zhì)質(zhì)量。當(dāng)TiO2與MoO3的質(zhì)量比為1∶1時，TiO2-MoO3核殼納米線