过渡金属氧化物/纳米孔碳管纤维布复合材料的构筑及储能性能研究

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超级电容器具有功率密度高、寿命长等优势,在电动汽车、智能电网、备用电力系统、消费电子等领域具有广阔的应用前景。近年来随着柔性电子的快速发展,亟需开发高性能的全固态柔性超级电容器。然而,一方面,已有报道大多以无法实现大变形的金属为基体;相比之下,碳纤维布在柔性方面更具优势,但以常见的商业碳布为柔性基底存在价格昂贵,比表面积小,表面生长的材料与基底间结合力差等问题。另一方面,以低成本过渡金属氧化物为代表的传统赝电容材料,在小尺寸情况下难以满足大电流下长期循环充放电的要求。对此,本论文提出了一步法制备的新思路,在棉布高温碳化的同时原位成核生长过渡金属氧化物纳米结构,从而构筑新型的复合柔性电极材料;详细探讨了复合结构的形成机理,并将该方法拓展到其它过渡金属体系;深入分析了材料结构对电化学性能的影响,并设计组装了高性能的柔性全固态器件。主要内容包括:(1)以T恤棉纤维布为原料,通过在碱溶液中超声浸泡进行活化处理和引入Fe3+,然后在惰性气氛下一步高温碳化,碳化过程既获得了柔性纳米孔碳管纤维布(NPCTT),同时从碳管表层的纳米孔原位生长出Fe2O3纳米带阵列,成功制备出Fe2O3/NPCTT复合电极材料。通过探讨反应物浓度对纳米结构及性能的影响,最大程度提升材料的比电容。我们探讨了这种特殊结构的形成机理。制备的这种新型复合电极可任意角度弯曲、折叠,且具有较高的比电容和良好的循环稳定性:面积电容高达1846mF cm-2(电流密度1 mAcm-2);在高电流密度20 mA cm-2下充放电循环10,000次后,电容减少仅为4.8%。组装的全固态对称型器件达到176μWh cm-2的能量密度(功率密度748 μW cm-2),循环充电5,000次后电容保持率为85%。(2)采用同样的实验方案,通过调整Mn2+的浓度,优化反应条件,成功制备了 MnO/NPCTT复合电极材料。优化产物中,得到的MnO以直径约200 nm的纳米粒子形式存在。由于高比表面积NPCTT基底与纳米粒子构成的复合结构,电极的面积比电容达到933 mF cm-2(电流密度为1 mAcm-2)。在以上研究工作的基础上,以Fe2O3/NPCTT为正极、MnO/NPCTT为负极组装了全固态非对称器件,能量密度和功率密度分别为117 μWh cm-2、750μW cm-2,循环充电3,000次后电容保持率为75%。
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