二氧化锰—氧化铁基微型超级电容器研究

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近年来,随着集成式电子器件和可持续自供能微电子系统的发展,对于高性能微纳储能器件的需求也越来越大。采用微加工工艺所制作的超级电容器,即微型超级电容器,也称为片上超级电容器,能够集成在微电子系统中,是微电池和电解电容器的完美替代单元。这种电容器具有电极结构理想、集流体尺寸小、可参与集成化等优点,但其发展面临的主要限制在于其电压窗口窄、能量密度低。如何在有限的空间内获得更宽的电压区间和更高的能量密度,同时保证高功率密度和长循环寿命,成为微型超级电容器研究的重点。在这种背景下,非对称式微型超级电容器由于其高能量密度和功率密度已经被广泛的应用于微型超级电容器,而用不同金属氧化物作为非对称式微型超级电容器电极材料的难点在于如何在微型器件上对它们进行匹配。针对以上问题,本文提出了一种对不同法拉第赝电容材料的电压窗口和容量匹配的方法。通过简单可控的制备过程,制备出高性能二氧化锰正极-氧化铁负极非对称微型超级电容器,同时还制备了二氧化锰基微型超级电容器、氧化铁基微型超级电容器作为对照实验。具体研究结果如下:(1)采用电化学沉积工艺实现了二氧化锰和氧化铁的可控制备。场发射扫描电子显微镜分析表明所制备材料形貌均匀,微型超级电容器结构完整。通过将微机电加工工艺、物理气相沉积工艺和电化学沉积工艺相结合,提出了一种构筑金属氧化物基非对称式微型超级电容器的方法。(2)首次制备出以二氧化锰为正极、氧化铁为负极的非对称式微型超级电容器,这种电容器具有较宽的电压窗口(1.2 V)、较高的比电容(60 F cm-3)、较高的能量密度(12 mWh cm-3)和良好的循环性能(循环2500圈后容量保持率高达80%以上)。(3)探索了非对称式微型超级电容器具有较好电化学性能的机理。研究发现其具有良好的电化学性能主要是由于二氧化锰和氧化铁在能量存储过程中的协同效应导致的。
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