基于多氧化态金属的氧化物的赝电容及其器件

发布时间：2017-12-10 20:22

  本文关键词：基于多氧化态金属的氧化物的赝电容及其器件

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【摘要】：能源无时无刻不在影响着人们的生活,而如何将由低品位能源转化得到的高品位能源存储下来并持续稳定地输出则成为了当前社会亟需解决的问题。在电化学能量存储装置中,电化学电容器不但具有稳定的功率密度,而且具有令人满意的能量密度。在电化学电容器中,电极材料对其性能起到了至关重要的作用。而在电极材料中,金属化合物能够提供比传统碳基材料更高的能量密度,以及比导电聚合物更好的电化学稳定性,因此更适合于商业化应用。本文设计并制备了几类锰系氧化物及钒系氧化物,并分别组装了对称型、准对称型及非对称型电化学电容器,通过各种表征测试手段对材料的组成、形貌及微观结构进行了分析,同时利用电化学测试系统对其电化学性能进行了全面的分析。主要内容如下:1、以电极电位为理论依据,采用类似水热法合成前驱体,经过热处理后得到了光滑大片状β-Bi_2O_3电极材料。此外,还采用不同的前驱体制备了Bi_2O_3无定形纳米颗粒与其进行对比。研究结果表明,β-Bi_2O_3电极材料在中性电解液中的电位窗口为-1.5 V~+1.5 V,容量为871.2 C g~(-1),当电流密度增大10倍至10 A g~(-1)时的容量保持率为74.4%,并且经过1000次循环之后仍能保持初始容量的78.9%,这为后续电极材料的设计提供了切实可行的指导方法。2、采用水热法及后续热处理得到NiMoO_4表面修饰的MnO_2纳米片复合物电极材料。根据形态学特性可知,MnO_2表面修饰了NiMoO_4之后不但避免了其在碱性电解液中的溶解,而且提高了容量。该电极的比容量为2525 F g~(-1),当电流密度增加到8 A g~(-1)时的倍率性能为75.9%,明显高于纯相MnO_2电极(52.8%)和纯相NiMoO_4电极(61.5%)的倍率性能,而且经过3000次循环后的容量保持率可达74.8%。这一优异的倍率性能和循环稳定性是由NiMoO_4与MnO_2之间的耦合效应以及可能的半导体表面复合效应所造成的。3、采用水热法制备所得Mn_3(PO_4)_2超薄纳米片电极材料,经过电化学测试表征表明,该电极材料在不同的电解液体系中均具有宽的电位窗口(中性:-0.9 V~+0.7 V,碱性:-0.5 V~+0.6 V)、令人满意的比容量(中性:203 F g~(-1),碱性:194 F g~(-1))、优异的倍率性能(中性:88%,碱性:85.1%)和良好的循环稳定性(中性:10000次循环保持91.1%,碱性:10000次循环保持88.9%)。这是因为Mn_3(PO_4)_2所具有的层状的晶体结构能够提供更多的纳米通道并且改善了电解液离子的扩散,最终促进了电化学性能的提升。4、采用热分解法制备不同种类的钒氧化物电极材料,并对这些材料的形态学与电化学性能进行了系统的研究。纯相的V_2O_3、VO_2和V6O13电极材料的形态演变、介孔变化、由氧空位机制造成的改善的电子导电性以及电化学测试表明,这三种材料都具有较高的比容量(V_2O_3:230 F g~(-1),VO_2:487 F g~(-1),V6O13:195 F g~(-1))和倍率性能(V_2O_3:76.1%,VO_2:60.5%,V6O13:51%),并且在Na_2SO_4电解液中的电位窗口为-1 V~+1 V。5、基于以上开发的锰、钒的氧化物,分别构筑了赝电容器件。AC//NiMoO_4修饰MnO_2非对称型电化学电容器的比容量为135 F g~(-1),电压范围为0 V~1.6 V,展现出了较高的能量密度(48 Wh kg~(-1))与稳定的功率特性(6400 W kg~(-1));Mn_3(PO_4)_2//Mn_3(PO_4)_2对称型电化学电容器与Mn_3(PO_4)_2//AC非对称型电化学电容器均展现了优异的电化学稳定性和稳定的能量及功率特性,但前者的比容量要高于后者;VO_2//VO_2对称型电化学电容器能够提供高的比容量(115.6 F g~(-1))、较高的能量密度(41.1 Wh kg~(-1))和稳定的功率特性,而且其他钒系氧化物的器件也都展现出了较高的应用价值。这为以后的器件构筑提供了可行的方法,同时也进一步验证了本文的设计思路。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53

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本文编号：1275796