基于锰、钼氧化物复合电极材料的制备及性能研究

发布时间：2020-04-30 16:07

【摘要】：近年来,由于石油短缺以及环境污染问题的不断加剧,开发高效储能系统已成为当今国际研究热点话题。超级电容器和锂离子电池具有循环寿命长、环境友好、绿色无污染等传统储能装置不具备的优点,是新型储能元件,成为电子设备、移动通讯、新能源汽车等方面极具潜力的储能系统,而研究并开发相关的电极材料成为提高高效储能系统性能的关键因素。在已知电极材料中二氧化锰(MnO_2)和二氧化钼(MoO_2)由于高理论容量而备受研究者青睐。本论文围绕两种材料自身的不足,如导电性能较差,循环稳定性能差等,采用简易的溶剂热法和原位还原合成方法对其进行了修饰改性。并通过SEM、TEM、XRD、XPS分析样品的表面形貌、结构和表面的含氧官能团。在三电极测试系统和蓝电测试系统中测试合成的复合电极材料电化学性能。本论文主要研究内容如下:首先,采用简单的溶剂热法和原位还原法合成了一维层状Ag纳米颗粒(AgNP)/MnO_2纳米棒(MND)复合材料。由于AgNP/MND纳米复合材料的高电导率,2 A·g~(-1)时其比电容为314 F·g~(-1),远高于纯MND(178 F·g~(-1))。纳米复合材料的电解质(R_s)和电荷传输(R_(ct))的电阻比纯MNDs低得多。此外,纳米复合材料表现出优异的长期循环能力(1 000次循环后的初始容量仅损失9%)。第二,在AgNP/MND纳米复合材料的基础上,制备了Ag纳米颗粒修饰碳包覆MnO_2纳米棒(MCA)。MCA-1.5(1.5表示原始葡萄糖溶液1.5 g·L~(-1))样品在三电极系统中1 A·g~(-1)的电流密度下表现出628 F·g~(-1)的最高比电容。特别地,用MCA-1.5和活性炭分别作为正极和负极制备的非对称超级电容器,在功率密度851.7 W·kg~(-1)的情况下,最大能量密度为48.3 W·h·kg~(-1),并表现出良好的循环稳定性,2 000次循环后电容保持98.5%。另外,将两个非对称超级电容器装置串联可以点亮LED灯泡,证明了该装置的实际储能适用性。第三,以柔性PAN为基底,采用原位相转换方法,修饰改性MoO_2,所得复合电极材料PAN/MoO_2/MoS_2-0.5(PMOS-0.5,其中0.5表示制备过程中钼酸铵(NH_4)_2MoO_4·4H_2O量为0.5 g)在三电极系统中1 A·g~(-1)的电流密度下表现出439F·g~(-1)的最高比电容。当使用PMOS-0.5作为正极,活性炭作为负极,制备成不对称超级电容器(SC)器件时,表现出2246.9 W·kg~(-1)的功率密度和46 Wh·kg~(-1)的最大能量密度。该材料用于构建固态非对称SC(ASC),该器件可以点亮LED灯带。此外,当使用固体电解质时,在器件弯曲成环前后,LED灯的亮度和持续时间没有显著变化,表明该材料具有极好的灵活性和稳定性。此外,该电极材料还具有良好的循环性能,2 000次循环后比电容保持在98.9%左右。最后,使用原位合成方法,以硫脲和MoO_2分别作为S源和Mo源合成MoS_2,在MoO_2颗粒的本体相中生长MoS_2纳米结构在碳纳米纤维(CNFs)上合成CNFs/MoO_2/MoS_2复合电极材料。制备的CNFs/MoO_2/MoS_2三元纳米结构材料由于三种组分之间的协同效应,不仅具有高度可逆的Li+储存容量,而且表现出优异的倍率性能和循环稳定性。以该复合材料为电极制备的锂离子电池在测试中前两次的放电容量分别为987 mA·h·g~(-1)和966 mA·h·g~(-1),相应的库伦效率为97.5%和98%。
【图文】：

第一章 绪论车，电动汽车的发展也开始受到重视并已经应用到实际生活中。采用锂离子电池来替代化石燃料和原有的传统电池，不仅可以缓解环境污染问题，还可以解决传统电池动能不足、续航能力差和电源笨重等问题。因此为了更好利用锂离子电池，如何进一步提升电池电化学性能则是研究的重点，特别是对负极材料的改善是进来研究的热点之一。1.3 超级电容器分类以及超级电容器和锂离子电池的工作原理1.3.1 超级电容器的分类超级电容器按照不同的分类标准分为以下不同种类，如图 1-1 所示：

图 1-2 锂离子电池工作原理示意图ig. 1-2 Schematic diagram of lithium-ion battery working princip时，负极的 Li+从碳层中脱出，通过隔膜经电解质溶料中储存，，放电容量与储存的 Li+数成正比。在电池极间往返，所以又被称为“摇椅”式电池[14]。过程中电极反应如下：：LiCoO2= Li(1-x)CoO2+xLi++xe-：6C+xLi++xe-= LixC6应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6容器和锂离子电池电极材料及研究进展料认为是最有潜力的工业化电极材料。碳材料具有原料
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O646.54

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本文编号：2645950