关键词： 石墨烯   聚吡咯   超级电容器  

摘要： 超级电容器因其具有较高的循环稳定性和较好的能量密度而成为储能器件中的研究热点,其电极材料及制备方法是决定超级电容器电化学性能的关键因素。本文以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为软模板,通过一步原位聚合法成功地制备了石墨烯/聚吡咯纳米纤维(GR/PPy NF)复合超级电容器电极材料。通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)等对复合材料的结构和形态进行了系统的表征。利用电化学方法对GR/PPy NF复合电极材料的电化学性能进行了系统的分析。结果表明,在电流密度0. 5 A/g下,纳米复合材料的比电容量高达969. 5 F/g,在充放电600圈之后,仍可保留初始比电容的88%,展示了良好的电容性能及循环稳定性。GR/PPy NF制备简单,性能优异,是一种很有前途的能量转换/存储材料。

关键词： 电弧熔炼-甩带法   氧化还原   纳米多孔   Fe-VOx   电化学性能   锂离子电池   钒氧化物  

摘要： 为了利用简单的生产工艺制备性能优异的锂离子电池负极材料,采用电弧熔炼-甩带的工艺制备出铁钒合金条带,再通过氧化还原方法成功制备出纳米多孔铁掺杂钒氧化物(Fe-VOx)复合材料,对材料物相和结构进行了表征,并且对比分析了在不同还原温度下纳米多孔Fe-VOx复合材料的电化学性能。结果表明:在还原温度为500 ℃、5% H2 /Ar混合气氛下,材料电化学性能最优,在电流密度为0.1 A/g下,初始放电比容量为563.4 mA·h/g,在循环100圈后的放电比容量仍能达到441 mA·h/g,循环容量保持率达到78.2%,远大于石墨的理论比容量372 mA·h/g。这说明纳米多孔铁掺杂钒氧化物复合材料能够有效提高锂离子电池的能量密度,并且具有良好的电化学性能。

关键词： 碳纸   MnO2   循环伏安   复合电极材料  

摘要： 将碳纸与氧化还原反应法制备的纳米MnO2通过液相沉积法形成新的复合电极材料,采用循环伏安和交流阻抗测试技术对复合电极材料进行电化学分析,研究结果表明:碳纸/纳米MnO2复合电极材料呈花瓣状开放结构,有利于提高复合电极的比表面积;碳纸基体沉积时间为1h时,复合电极的电化学性能最稳定;但随着扫描速率的增加,复合电极的比电容呈下降趋势,且沉积时间越长,复合电极电容性的稳定也越差。

关键词： 锂离子电池   Nb2O5   导电性   结构调控   碳包覆  

摘要： 近年来,过渡金属氧化物被广泛用做锂离子电池电极材料。其中,Nb2O5由于其安全性高,充放电过程伴随极小的体积膨胀,受到了研究人员的广泛关注。但是,由于Nb2O5自身导电性差和理论容量低等缺点使其应用受到限制。因此,目前对于如何有效提高Nb2O5电极材料的导电性和充放电比容量成为了研究重点。本论文以提升电极材料的储锂性能为目标,采用三种方法（煅烧法、溶剂热法、水热-热处理法）制备了不同微观结构的Nb2O5纯相电极材料和Nb2O5@C复合电极材料。探究了产物的物相、形貌结构以及碳包覆对材料储锂性能的影响,并详细研究分析出其储能机理。（1）以水合草酸铌为铌源,采用煅烧法制备了不同晶型的Nb2O5。研究表明,Nb2O5的晶型和微观形貌很大程度受温度的影响,与800°C的Nb2O5混合相和1000°C的H-Nb2O5相比,600°C煅烧的T-Nb2O5晶粒尺寸较小。当它用作锂离子电池正极材料时,测试它的储锂性能发现:在0.1 A g-1的电流密度下循环100次后循环比容量为135 mAh g-1,并且循环稳定性良好;当它用作锂离子电池负极材料时,测试它的储锂性能发现:在0.1A g-1的电流密度下循环100次后循环比容量为210 mAh g-1,并且从大电流密度(1 A g-1)再返回到小电流密度(0.05 A g-1)的倍率性能测试过程中,T-Nb2O5的电池容量衰减的最缓慢,依旧可以维持242 mAh g-1的比容量,具有很好的循环可逆性。（2）利用溶剂热法制备出刺球状Nb2O5。通过改变溶剂类型来制备最适合锂离子嵌入和脱出的Nb2O5结构,以此提高锂离子与Nb2O5的电化学反应速率。当体积比为水:醇=1:1时,构成刺球状Nb2O5电极形貌均一,分散性较好,刺球内部较为疏松。这种结构促进了表面吸附反应的进行,从而加速了锂离子的扩散,提高了其放电比容量和电化学反应速率。100圈循环后,在0.1 A g-1的电流密度下其可逆比容量达到340.0 mAh g-1。（3）以葡萄糖作为表面活性剂和碳源,通过水热-热处理的方法制备O-Nb2O5@C复合材料。当草酸铌和葡萄糖质量比为1:6时,Nb2O5@C复合材料直径约为5 nm的单体（纳米棒）,此时储锂性能最佳。在0.1 A g-1的电流密度下循环100圈后仍可保持410 mAh g-1的比容量。进一步研究发现取向生长的Nb2O5@C复合材料的电荷转移电阻较低,Li+扩散系数较高,并具有表面控制的赝电容机制。这些优异的性能归因于Nb2O5沿[001]晶向的取向生长、Li+在纳米棒构建的花状结构中较短的扩散路径以及碳均匀包覆的纳米胶囊结构这三者的协同效应。

关键词： 水/溶剂热法   氧化钒电极材料   yolk-shell结构   锂离子电池   电化学性能  

摘要： 由于化石能源的日益枯竭以及环境污染问题日益加剧,开发清洁新能源替代化石能源已成为各国的共识。电化学储能系统因能量密度高、功率密度高、循环寿命长及环境友好,已是替代化石能源的主要研究方向,其中,锂离子电池是研究的主流。锂离子电池的性能和成本主要取决于电极材料,实现锂离子电池在储能系统中的应用,需要探索和开发具有优异性能的电极材料。氧化钒作为过渡金属氧化物,具有资源丰富,价格低廉,理论比容量高、能量密度和功率密度高等优势,尤其独特的层状结构,有利于嵌入更多的Li,提高电极的容量,被认为是很有潜力的锂离子电池电极材料之一。但是,氧化钒具有自身的缺陷,如电导率低、Li扩散系数差及充放电过程中电极材料易溶解于电解液等,这些缺陷将阻碍其商业应用。为了改善Li在氧化钒电极材料中的动力学,并防止电极材料在充放电过程中的结构坍塌,本文通过简便的水/溶剂热法,结合烧结制备了多孔yolk-shell结构的VO微球,并且研究了其结构的形成机理。实验研究发现VO微球壳上的多孔结构有利于电解液的渗透,较大的比表面积增加了电极材料和电解液的接触面积,缩短Li的扩散距离,提高了Li扩散动力学;同时,在充放电过程中,yolk-shell结构核和壳之间的空白空间能够缓冲体积的膨胀与收缩,防止微结构坍塌,改善电化学性能的稳定性。制备的多孔yolk-shell结构VO微球作为锂离子电池的正极材料,相比于商业的VO粉体,具有高的放电比容量、良好的倍率性能,在50 mA g的电流密度下循环50次后,放电比容量仍维持在225.7 mA h g。同时,通过一步水/溶剂热法成功制备了分级花状yolk-shell结构无定形的VO微球(a-VO),其壳的表面是由超薄的交联纳米片组装成的分级结构,类似于蜂巢状。将a-VO在N氛围热处理后,转变成分级海胆状空心或球套球结构的结晶VO微球(c-VO),其表面海胆状分级结构是由纳米颗粒构成的,a-VO和c-VO的比表面积分别是137.35和73.97 m g;并且较为系统地研究了氧化钒微球的形成过程和机理,发现在水/溶剂热的反应过程中,首先,有机醇的羟基官能团与氧化钒的化学键(V=O和O-V-O)相互作用形成低表面能的曲面,再经过配位成核生长成纳米球,然后通过团聚生成体系能量稳定的氧化钒微球,最后经过由内向外的Ostwald-ripening过程,形成了分级花状yolk-shell结构的VO微球。将这两种材料分别作为锂离子电池的负极材料,均具有比较好的电化学性能,尤其是a-VO电极在1000 mA g的电流密度下初始放电比容量高达881.5 mA h g,循环250次后仍保持870.1 mA h g,表明a-VO是一种十分有潜力的锂离子电池负极材料。为了改善氧化钒电极材料的导电性,并且防止其在充放电过程中溶解于电解液,又以PANI为碳源,通过水/溶剂热法原位碳包覆氧化钒微球,然后研究了碳化不同时间段对碳包覆氧化钒复合材料的结构、物相及电化学性能的影响。研究表明在空气氛围煅烧30 min得到core-shell结构的VO/C-30,作为锂离子电池的正极材料,具有最优异的电化学性能,VO/C-30在50 mA g的电流密度下循环50次后放电比容量为209.1 mA h g,容量保持率达71.2%;在1000 mA g电流密度下循环1000次后放电比容量仍能保持在123.2 mA h g。

关键词： 超级电容器   Fe3O4   炭纳米片   电极材料   循环稳定性  

摘要： 以蔗糖为碳源、Fe(NO_3)_3·9H_2O为活性前体、氯化钠为模板剂,通过简单有效的原位沉积结晶和热解等步骤制备了二维Fe_3O_4@C纳米片,采用多种技术手段对Fe_3O_4@C纳米片的结构进行了表征,并测试了其电化学性能。结构表征结果表明:Fe_3O_4@C纳米片由厚度为纳米级的石墨化C片和嵌插在C层表面尺寸分布均匀的Fe_3O_4纳米颗粒组成; Fe_3O_4@C纳米片厚度小于100 nm,比表面积达255 m^2/g,平均孔径为3.79 nm,Fe_3O_4质量分数为36.98%。电化学性能测试结果表明:Fe_3O_4@C纳米片具有较高的比电容量和优异的倍率性能,1 A/g电流密度下比电容量为436 F/g,20 A/g电流密度下比电容量仍高达332 F/g;但循环稳定性较差,10 A/g下充放电500次后的比电容量为178 F/g,仅有初始比电容量的50.71%。

关键词： 泡沫碳   镍催化剂   泡沫碳/碳纳米管   电化学性能  

摘要： 在泡沫碳制备过程中,引入六水硝酸镍作为催化剂前驱体,在高温下通过过渡金属催化剂镍的催化作用制备泡沫碳/碳纳米管复合电极材料(CF/CNTs),对其结构和电化学性能进行分析表征。结果表明:CF/CNTs多孔孔壁上生成了大量碳纳米管;碳纳米管对泡沫碳孔的修饰作用提高了材料的比表面积;CF/CNTs在1 A/g电流密度下获得89.2 F/g的比电容,相比于单纯泡沫碳提升了60%。

关键词： 磷酸钒锂/碳   二氧化钛/碳   3D网络结构   自支撑电极   静电纺丝  

摘要： 电极是影响锂离子电池性能的关键。传统的锂离子电池使用的电极基本都采用涂覆工艺制备而成,工艺流程长,电极机械性能较差,在弯折过程中活性物质容易脱落,使用寿命有限,尤其在大倍率充放电情况下,电极活性物质因充放电过程中的体积变化而容易与金属集流体脱离,影响循环寿命。静电纺丝技术制备的三维(3D)网络结构自支撑电极能够在免除金属集流体的情况下,提供电子传输通道和离子传输通道,解决活性物质本征电子电导率和离子电导率较差的问题,且能够实现碳载体与活性材料的原位复合,避免出现脱落等现象,延长电池使用寿命。磷酸钒锂和二氧化钛的比容量较高,结构稳定,是目前研究较广且很有应用前景的电极材料,但是他们的本征导电性都很差,严重限制了他们的应用。本文结合3D网络结构电极的优点,利用静电纺丝技术分别制备了3D网络结构磷酸钒锂和二氧化钛电极,提高他们的循环性能和倍率性能。主要研究内容及结果如下:(1)采用静电纺丝法制备3D网络结构LiV(PO)/C电极材料。在制备过程中,以聚丙烯晴(PAN)和聚乙烯吡络烷酮(PVP)两种高分子作为纺丝聚合物,并探索热处理工艺对样品性能的影响。实验结果发现,采用热压工艺可以很好地保持纤维膜的3D长程网络结构,聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的联合使用促进了LiV(PO)晶粒在导电碳纤维的表面生长。热处理温度为800℃,保温时间为20h,得到的磷酸钒锂纤维电极,结晶度最好,石墨化程度高,比表面积高达186.4 m/g,在3-4.8V的测试电压范围内,5C电流密度下,初始放电比容量为146.2mAh/g,循环850圈,衰减到143.4 mAh/g,容量保持率高达98%,其库伦效率一直维持在100%,其优异的电化学性能还归因于三维长程碳纤维导电网络,LiV(PO)晶粒在碳纤维表面均匀分布和无粘合剂自支撑结构。(2)采用静电纺丝法制备3D网络结构TiO/C电极材料。在惰性气氛中烧结制备出的氧缺陷二氧化钛(TiO)纳米纤维电极具有氧缺陷,高比表面积和高孔隙率,无粘结剂和自支撑结构等特点,显示出良好的电化学反应动力学和高比容量。高可逆容量由多孔碳,TiO的全锂化和界面锂储存共同产生。在100mA/g的电流密度下,可逆放电容量可以达到464mAh/g。即使在500mA/g时,放电容量仍然保持在312mAh/g。与纯碳纤维和纯TiO粉末相比,TiO/C纤维膜电极在300mA/g的电流密度下,700次循环后,放电容量为209mAh/g,表现出优异的循环性能,库仑效率始终保持在00%。(3)制备基于LiV(PO)和TiO纳米纤维电极的凝胶电池。初步探索纤维电极和自制备凝胶电解质直接接触可充放电的可行性。实验结果表明自制备凝胶电解质与纤维电极组装的电池表现出了相对较好的电化学性能,特别是TiO凝胶电池,在300mA/g电流密度下循环1500圈后,放电比容量仍然保持在180.1mAh/g,并且除第一个测试周期外,整个循环期间库伦效率始终保持在00%。

关键词： 水热法   纳米材料   四氧化三钴   超级电容器  

摘要： 超级电容器是一种新型的能源储存设备,具有高比功率密度、优秀的倍率性能和循环稳定性,是当今新能源储能器件领域研究的焦点之一。电极材料是超级电容器的重要组成部分,决定着电容器的性能表现,而电极材料的性能取决于其微观结构和形貌。二维和三维结构材料有较大的比表面积、更多的氧化还原反应活性位点,能使电极材料的电化学性能有较大提高。Co3O4凭借其高的理论比电容、良好的氧化还原性能等优点引起人们的广泛关注。然而,大家在研究过程中也发现,Co3O4材料存在着倍率性能差、电势范围窄等问题,这限制了其在超级电容器中的应用。电极材料的微观结构和形貌可以通过调节反应参数来控制。因此,研究Co3O4材料的合成工艺和形貌控制规律对Co3O4电极材料性能的改善有重要的意义。本文利用水热法,控制水热条件合成了二维和三维结构Co3O4材料,并探讨其生长机理,主要研究内容和结果如下:（1）以硝酸钴为钴源,以葡萄糖为添加剂,尿素为碱源合成块状和海胆状共存的纳米Co3O4电极材料,通过控制葡萄糖的添加量来探究其对纳米Co3O4微观形貌的影响,并探讨纳米Co3O4电极材料的生长机理。（2）分别以硝酸钴、氯化钴、乙酸钴作为钴源研究不同钴源对水热合成的纳米Co3O4电极材料微观形貌的影响;控制前驱体的生长时间分别为12h和18h,进一步研究葡萄糖在水热过程中的作用。（3）利用水热法制备泡沫镍负载纳米Co3O4的Co3O4/NF电极材料,通过控制反应溶液的浓度和水热时间分别得到了花状、片状和针状纳米结构Co3O4,针状结构Co3O4/NF电极材料具有较大的比表面积,较小的尺寸,在电化学测试表现出了高的面电容(2 mA cm-2时比电容为3.95 F cm-2)、好的倍率性能(电流密度从2 mA cm-2增加到16 mA cm-2时,比电容保留了80.3%)。