水热合成Co3O4@MnO2纳米片多层次复合纳米结构用于超级电容的研究(2)
2.1 主要原料及实验设备 12
2.1.2 实验主要设备和仪器 13
2.2 电化学测试方法 13
2.2.1 实验装置 13
2.2.2 循环伏安测试 14
2.2.3 恒流充放电测试 16
2.2.4 电化学阻抗测试 17
2.3 微观结构测试方法 18
2.3.1 扫描电镜(SEM) 18
3 超级电容器氧化钴/氧化锰复合体系电极材料的研究 19
3.1 实验部分 19
3.1.1 纳米网络的合成 19
3.1.2 薄膜合成 20
3.1.3 氧化锰/氧化钴复合体系合成 20
3.2 实验结果与讨论 20
3.2.1材料结构与形貌测试 21
3.2.2 电化学测试 22
3.2.2 恒流充放电及循环测试 24
3.2.3 电化学阻抗测试 26
第四章 结论及展望 28
4.1 结论 28
4.2 展望 28
致谢 ...30
参考文献...31
1 引言
1.1 课题研究背景及意义
随着全球经济的迅速增长，现有的化石燃料大量消耗所带来的能源危机及环境污染受到人们的重视[1] 。为了解决这一难题，一方面有关可再生能源，如太阳能，风能，潮汐能等的研究进行的如火如荼，另一方面也亟需研制新型高性能能量储能材料，以提高现有能源的利用率。在众多的储能器件中，超级电容[2]因其较高的功率密度，快速充放电性能、环境友好、安全性高等优点而备受关注。
目前，超级电容的比功率[3]可以到达 ,比能量可以达到 , 如图1-1所示，由于超级电容的高比功率，具有极高的充放电速率，常用于混合点动力车的启动原件。但与锂离子电池相比，其较低的比容量限制了其进一步广泛的应用。
图表 1-1 比功率-比能量图[3]
据相关文献，限制电极材料的主要因素是材料的低导电性以及较低的有效物质利用率。为了解决这一问题，可以采用 等具有高导电性贵金属氧化物作为电极材料[4]，但其较高的价格及剧毒特点为其大规模工业化应用蒙上了阴影。
本课题利用具有较高电导率的 纳米网络作为基底材料，在 表面电沉积 ,从而形成规则的纳米网络复合结构。一方面利用 的高导电性来提高材料整体的导电特性，提高电子的迁移速率，改善电极在高倍率下的充放电性能[5]。另一方面，利用在地壳中广泛分布的 良好的赝电容特性，经纳米化后进一步提高比容量，进而增加材料的比能量。
本课题利用的材料为 , 都是在地壳分布较为广泛的低毒元素氧化物，其较好的可获得性为其大规模工业应用奠定了基础。此外本课题主要采用水热反应以及电化学沉积来制备材料，实验方法较为简单，材料直接生长在集流体Ti基底上，避免了有机粘结剂的使用，有利于降低电极的电阻[6]，提高电极材料的电化学性能。本课题所采用的原料价格较低，方法简单，易于推广，具有相对较高的市场价值。
1.2 超级电容工作机理
超级电容的电荷存储机制可分为双电层电容(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)和赝电容(Pseudocapacitor)两种[7] 。
1.2.1 双电层电容器
双电层电容器是利用电极和电解液之间在电压作用下形成的双电层电容来存储能量的新型电子元件。
图 1-2 超级电容个工作机理示意图[7]
双电层理论在19世纪末由Helmhotz等提出[8]，后经Gouy, Chapman, Stern以及其他研究者逐步完善。如图1-2所示，所谓双电层就是不同的两相接触时，在界面两侧分别形成一紧密电荷层。双电层电容器一般由一对理想化的电极及电解液组成，在所施加的电位范围内不产生法拉第氧化还原反应，所有聚集的电荷均用来在电极/溶液界面建立双电层或扩散电层。但在实际工作中，会产生一定的极化，这里的极化主要包括电荷传递极化和欧姆极化。根据电容公式，双电层电容的容量与电极表面成正比，与双电层的距离成反比，在强电解质的浓溶液中，双电层的厚度数量级在 ，因此再通过适当选择具有高比表面的电极材料，可以得到很大容量，约为 ,约为普通物理平板电容的 倍。，因此相比传统物理电容，超级电容有着更高的能量密度。