金屬氧化物納米復(fù)合陣列的制備及其儲(chǔ)能應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源需求的增加，人們對(duì)大容量高功率儲(chǔ)能設(shè)備的要求也越來(lái)越高。納米材料由于其具有的小尺寸效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)而受到人們的廣泛研究，并在現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，同時(shí)也被視為下一代儲(chǔ)能器件的關(guān)鍵性技術(shù)。在各種納米材料中，納米陣列材料，由于其相比于其它納米結(jié)構(gòu)有著更為優(yōu)異的性能而受到研究工作人員的廣泛關(guān)注，并被視為未來(lái)能源技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。納米陣列材料所具有的特性有:(1)能提供直接的電子

2、傳輸通道，提高電極材料的導(dǎo)電性;(2)減少離子在活性物質(zhì)中的擴(kuò)散距離，增強(qiáng)材料的倍率性能;(3)極大的比表面積，增加電極材料與電解液的接觸面，減少充放電時(shí)間;(4)更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，能承受更大的體積膨脹和機(jī)械降解;(5)直接生長(zhǎng)在集流體上，能省去導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑的使用;(6)其較為松散的結(jié)構(gòu)和形貌較易于構(gòu)建更多種類的復(fù)合材料，并在不同材料之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng);(7)相比于粉體材料，納米陣列材料有著更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，因而會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響更小，而且

3、更加安全。
　　同時(shí)納米陣列材料還存在許多的缺陷，嚴(yán)重的制約了其在儲(chǔ)能器件方面的大規(guī)模應(yīng)用。相比于其它納米材料，納米陣列材料的制備過(guò)程相對(duì)更加復(fù)雜，制備成本更加高昂，不利于大規(guī)模生產(chǎn);而且陣列材料在一維尺度上受到限制，使得陣列材料只能作為薄膜材料使用。在本論文中，通過(guò)探索不同陣列材料的生長(zhǎng)過(guò)程，著力于克服其在制備與一維尺度上的困難與限制，以及通過(guò)特殊的方法將那些不能生長(zhǎng)出納米線陣列的材料制備成納米線陣列的形貌。此外同時(shí)還進(jìn)一步的研

4、究如何提高電極材料的性能，是得其能夠進(jìn)一步的被大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。本文的主要研究工作有以下幾個(gè)方面:
　　1、利用水熱法，首先在碳布基底上得到了生長(zhǎng)均勻的MnO2納米片薄膜。同時(shí)針對(duì)MnO2材料性能的不足與缺陷，設(shè)計(jì)了新型的MnO2/PPy復(fù)合納米薄膜材料。通過(guò)對(duì)其導(dǎo)電性的改善而提高了其電化學(xué)穩(wěn)定性與倍率性能，通過(guò)對(duì)MnO2納米材料在不同條件的電解質(zhì)下所裝配的電容器進(jìn)行阻抗分析，得到了實(shí)驗(yàn)性能最好的H3PO4/PVA凝膠電解質(zhì)。該電解

5、質(zhì)不僅對(duì)氧化錳的性能有一定的幫助，同時(shí)還使得MnO2/PPy復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。得益于電極材料的優(yōu)越性能與電解質(zhì)的穩(wěn)定，該準(zhǔn)固態(tài)超級(jí)電容器的最高能量密度可以達(dá)到2.04μWhcm-2，同時(shí)其最高功率密度可以達(dá)到0.432mW cm-2，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電容性能。該電容器同時(shí)在0.8V高電壓的條件下穩(wěn)定循環(huán)1000次之后，仍能保持93.2％的初始容量，進(jìn)一步證明了MnO2/PPy復(fù)合納米薄膜材料有著極其穩(wěn)定的電化學(xué)性能。
　　

6、2、通過(guò)對(duì)ZnO生長(zhǎng)機(jī)理的研究，利用晶體成核與生長(zhǎng)的特性，成功的掌握了ZnO納米線陣列可控生長(zhǎng)的方法，并能得到幾十微米長(zhǎng)的超長(zhǎng)ZnO納米線陣列。然后通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，成功的在ZnO納米線陣列的表面裝載了大量的MnO2活性物質(zhì)。通過(guò)研究MnO2生長(zhǎng)的條件以及隨后樣品的電化學(xué)性能，成功的篩選并得到了有著超高面積比容量的ZnO/MnO2復(fù)合納米線陣列材料，極大的提高了MnO2材料在超級(jí)電容器方面的實(shí)用性。通過(guò)進(jìn)一步的電化學(xué)測(cè)試，證實(shí)了該材料優(yōu)異

7、的電化學(xué)性能。該電極材料有著最大112mF cm-2的超高容量，并有著較為優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，在1000次循環(huán)后仍然能保持81mF cm-2容量。遠(yuǎn)高于一般薄膜電極的超高容量，使其更具有商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。
　　3、通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，利用簡(jiǎn)單的水熱法及電沉積法制備合成了TiO2-MoO3核殼納米線陣列電極材料。TiO2-MoO3核殼納米線陣列由于其獨(dú)特的形貌，其各個(gè)材料之間的協(xié)同效應(yīng)有:(1)TiO2材料在鋰電池充放電過(guò)程中（即使是在高

8、倍率電流密度下）表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其體積膨脹在反應(yīng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有，因而作為支柱材料可以極大的提升MoO3材料整體的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能;(2)MoO3納米殼層材料，能提供相對(duì)較大的容量和較高的電導(dǎo)性;(3)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能簡(jiǎn)化電極材料的制備過(guò)程，以及提供活性材料與集流體之間直接的電子傳輸渠道;(4)三維電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極大的提高電極材料在單位面積上負(fù)載的活性物質(zhì)質(zhì)量。當(dāng)TiO2與MoO3的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，TiO2-MoO3核殼納米線