低维钼基氧化物的制备及其电化学性能
发布时间：2021-12-22 18:13
随着化石燃料的日渐匮乏和环境污染的日益加重,人们对低成本、长寿命且同时兼具高能量密度和高功率密度的新型环保电化学储能器件越来越重视。与其他电化学储能器件相比,超级电容器和锂离子电池以其各自独特的优势在实际储能领域中最具发展前景且应用最为广泛。电极材料一直以来就是储能器件的核心部件,因此研究和开发高效率的电极材料是发展高性能电化学储能器件的关键。作为电极材料,过渡金属氧化物与碳材料相比可实现更高的比容量和能量密度;与导电聚合物相比具有更好的安全性;因而吸引了越来越多研究者的关注。然而,过渡金属氧化物较差的电子导电性及其在使用过程中产生的体积膨胀,致使其倍率性能和循环寿命受到了限制。为解决这一问题,本文以钼酸盐和三氧化钼为研究对象,将组分设计和结构设计相结合,成功制备出两种低维纳米结构的电极材料,并对其物相结构特征和电化学性能进行表征分析,得到的具体研究结果如下:（1）采用简单的喷雾干燥法结合一步烧结的热处理方法,在NiMoO4中成功引入Co2+,制备了双壳空心球结构的钼酸钴-镍(Co0.5Ni0.5M...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的分类[1]
武汉理工大学硕士学位论文21.2超级电容器概述超级电容器以其高的功率密度（110kWkg-1），快速的充放电反应和长循环寿命（>10000周）等优点被广泛应用于后备能源和电动汽车等各个领域。按照器件结构和储能机制，超级电容器可分为三类，如图1-1所示：双电层型电容器（EDLCs）、赝电容型电容器和混合型电容器[1]。图1-1超级电容器的分类[1]1.2.1双电层型电容器双电层型电容器是最简单且应用最广泛的电容器。典型的双电层型电容器的结构如图1-2所示[2]。当施加电压时，电荷首先聚集在电极材料表面上，导致电解液离子通过扩散穿过隔膜进入电极材料的空隙中，形成双电层的电荷吸附。这是一个纯静电荷吸附脱附的过程，形成的有效双电层厚度为0.51.0nm。由于整个电荷存储过程是高度可逆的，因此双电层电容器具有优异的循环性能[3]。图1-2双电层电容器的结构示意图[2]
武汉理工大学硕士学位论文5能中，欠电位沉积很少应用。（2）氧化还原赝电容，这是最常见的一种赝电容形式，如图1-3b所示，当离子吸附在电极材料的表面或近表面时，伴随着法拉第电荷转移过程，形成氧化还原赝电容。氧化还原赝电容是由表面控制的过程，通常发生在金属氧化物和导电聚合物中。目前已经报道的氧化还原赝电容最高已经超过2500Fg-1，展示了极大的应用前景。然而，通过氧化还原反应存储电荷的大多数过渡金属氧化物，由于活性材料和电解液离子之间经常会发生副反应，导致其在高电流密度下的循环稳定性和倍率性能较差。针对此问题提出的解决方案有多种，例如在导电和柔性基板上直接生长活性材料[13]，用碳材料如石墨烯进行表面包覆[14]等。（3）离子嵌入型赝电容，这一过程通常发生在离子嵌入氧化还原活性物质的孔道或层间，伴随法拉第电荷转移，整个电化学反应过程动力学是由扩散控制的行为，不涉及任何相变（图1-3c）。可嵌入的离子通常是小尺寸的金属离子如Li+、Na+、K+等，以保证离子嵌入时不会发生晶格结构的破坏。此外，通过离子的嵌入还可以在短时间内实现高效的电荷存储和高的能量密度。层状过渡金属氧化物材料如MoS2、V6O13和α-MoO3作为锂嵌入诱导的赝电容正极材料，引起了广泛的研究[15]。Mai等人[16]报道了一种纳米棒-纳米薄片互连的Li2Co2(MoO4)3作为超级电容器正极材料，该材料独特的通道结构有利于小尺寸离子的嵌入和脱出，而不会破坏材料的结构。此外，基于Li2Co2(MoO4)3作为正极和还原氧化石墨烯作为负极组装的非对称超级电容器展现出高的比电容（160Fg-1）、高的能量密度（71.63Whkg-1）和功率密度（0.91kWkg-1）。图1-3赝电容器电荷存储机制的分类：（a）欠电位沉积；（b）氧化还原赝电容；（
本文编号：3546852
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的分类[1]
武汉理工大学硕士学位论文21.2超级电容器概述超级电容器以其高的功率密度（110kWkg-1），快速的充放电反应和长循环寿命（>10000周）等优点被广泛应用于后备能源和电动汽车等各个领域。按照器件结构和储能机制，超级电容器可分为三类，如图1-1所示：双电层型电容器（EDLCs）、赝电容型电容器和混合型电容器[1]。图1-1超级电容器的分类[1]1.2.1双电层型电容器双电层型电容器是最简单且应用最广泛的电容器。典型的双电层型电容器的结构如图1-2所示[2]。当施加电压时，电荷首先聚集在电极材料表面上，导致电解液离子通过扩散穿过隔膜进入电极材料的空隙中，形成双电层的电荷吸附。这是一个纯静电荷吸附脱附的过程，形成的有效双电层厚度为0.51.0nm。由于整个电荷存储过程是高度可逆的，因此双电层电容器具有优异的循环性能[3]。图1-2双电层电容器的结构示意图[2]
武汉理工大学硕士学位论文5能中，欠电位沉积很少应用。（2）氧化还原赝电容，这是最常见的一种赝电容形式，如图1-3b所示，当离子吸附在电极材料的表面或近表面时，伴随着法拉第电荷转移过程，形成氧化还原赝电容。氧化还原赝电容是由表面控制的过程，通常发生在金属氧化物和导电聚合物中。目前已经报道的氧化还原赝电容最高已经超过2500Fg-1，展示了极大的应用前景。然而，通过氧化还原反应存储电荷的大多数过渡金属氧化物，由于活性材料和电解液离子之间经常会发生副反应，导致其在高电流密度下的循环稳定性和倍率性能较差。针对此问题提出的解决方案有多种，例如在导电和柔性基板上直接生长活性材料[13]，用碳材料如石墨烯进行表面包覆[14]等。（3）离子嵌入型赝电容，这一过程通常发生在离子嵌入氧化还原活性物质的孔道或层间，伴随法拉第电荷转移，整个电化学反应过程动力学是由扩散控制的行为，不涉及任何相变（图1-3c）。可嵌入的离子通常是小尺寸的金属离子如Li+、Na+、K+等，以保证离子嵌入时不会发生晶格结构的破坏。此外，通过离子的嵌入还可以在短时间内实现高效的电荷存储和高的能量密度。层状过渡金属氧化物材料如MoS2、V6O13和α-MoO3作为锂嵌入诱导的赝电容正极材料，引起了广泛的研究[15]。Mai等人[16]报道了一种纳米棒-纳米薄片互连的Li2Co2(MoO4)3作为超级电容器正极材料，该材料独特的通道结构有利于小尺寸离子的嵌入和脱出，而不会破坏材料的结构。此外，基于Li2Co2(MoO4)3作为正极和还原氧化石墨烯作为负极组装的非对称超级电容器展现出高的比电容（160Fg-1）、高的能量密度（71.63Whkg-1）和功率密度（0.91kWkg-1）。图1-3赝电容器电荷存储机制的分类：（a）欠电位沉积；（b）氧化还原赝电容；（
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