自支撑碳基/过渡金属氧化物复合电极及其全固态超级电容器的研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:ahjockey
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碳材料因其功率密度高、循环稳定性好和倍率性能优异等特性,作为电极材料被广泛研究并应用于超级电容器。相对于碳材料提供的双电层电容,金属氧化物可以提供赝电容,其理论比容量高于碳材料数倍甚至数十倍。但是其也存在着稳定性偏低和倍率性能较差等缺陷。如何结合两种材料的优势制备出更好的电极材料是研究的热点。同时液态超电容的易漏液的缺陷也大大影响了它的应用广度。因此本论文旨在组装一种全固态的超级电容器,其电极材料以碳基材料(石墨烯气凝胶/苎麻衍生碳纤维)为基底担载过渡金属氧化物(CoO、MnCo2O4),固态电解质则选用了PVA/KOH。具体研究内容包括以下三个方面:(1)采用Hummer法制备的商业氧化石墨烯(GO)水溶液,加入抗坏血酸(Vc)、Co(OAc)2·4H2O及尿素,经过一步水热法制备出氮掺杂的碳基/金属氧化物复合材料GA/CoO。主要探究单纯还原氧化石墨烯、掺杂Vc以及掺杂CoO制得的电极材料的结构与电化学性能。对比结果显示,加入适量Vc有效改善材料的三维自支撑结构,而加入少量的Co(OAc)2·4H2O可以为GA掺杂CoO赝电容,有效改善其比电容性能而又不破坏其自支撑结构。电化学测试表明其具有良好的超电容性能。在1 A/g电流密度下,比容量达到222 F/g,相比单纯的GA提升了79 F/g。(2)在上一章实验的基础上,引入锰源Mn(OAc)2·4H2O,原位水热制备GA/MnCo2O4复合电极材料。该材料展现出更加优异的电化学性能,1 A/g的比电容值为289.2 F/g,将电流密度提升到10 A/g依然能够保持152 F/g。与此同时,还研究了液相混合流延、冷冻解冻以及电纺法制备的三种固态电解质PVA/KOH,总结不同制备工艺的优缺点。最后与GA/MnCo2O4组装成全固态超级电容器。其1.5 V工作电压下能量密度及功率密度达到15.98 Wh/kg和2.7 kW/kg。其自放电速率较慢,漏电流仅为42μA,且3000次循环充放电后容量依然保持在初始电容值。(3)为使得固态超电容获得柔性,我们找到一种天然环保的生物质材料苎麻纤维。利用真空抽滤将其预制成类薄膜状纤维片,而后采用高温碳化的方法制得柔性自支撑碳化基底。再利用水热法制得RCF/MnCo2O4电极材料。结果显示RCF/MnCo2O4具有良好的自支撑性及柔韧性。同时它的电化学性能优异,在1 A/g电流密度下达到329.6 F/g,在20 A/g的高电流密度下依然保持148 F/g的比电容值,展现出较高的倍率性能。用其组装出的柔性全固态超级电容器,在1V的工作电压下能量密度及功率密度达到6.75 Wh/kg和1.8 kW/kg。自放电速率较慢,漏电流仅为40μA,具有良好的循环稳定性的同时也展现出良好的柔性。
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