【摘 要】
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超级电容器是一种相对新型的储能器件,它填补了传统电容器与电池之间的空白,具有功率密度高、循环寿命长、充放电时间短等优点。随着超级电容器在诸多领域（如混合动力汽车）中的
【出 处】
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中国科学院研究生院 中国科学院大学
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超级电容器是一种相对新型的储能器件,它填补了传统电容器与电池之间的空白,具有功率密度高、循环寿命长、充放电时间短等优点。随着超级电容器在诸多领域（如混合动力汽车）中的应用,人们对它的性能提出了更高的要求,而超级电容器的性能很大程度上取决于它的电极材料。碳基纳米复合材料可以提供更大的比能量和更高的比功率,是一种极具潜力的超级电容器电极材料。本论文基于碳基纳米复合材料和超级电容器的研究背景,设计合成了多种碳基纳米复合材料,并重点研究了它们的超级电容性能。
采用湿化学方法,在碳纳米管外表面实现了多种氧化物纳米颗粒的均匀负载,成功地合成了一系列的碳基纳米复合材料:SnO2/SWNT,CuO/SWNT,ZnO/SWNT,Fe2O3/SWNT,SnO2/MWNT,ZnO/MWNT;而且通过控制实验条件,成功地实现了对碳纳米管表面负载的纳米颗粒的粒径和负载量的调控;采用气相填充的方法在单壁碳纳米管管内实现了碘和钾的化合反应,研究发现单壁碳纳米管内生成产物的结构与管径具有相关性。
采用自发氧化还原法制备了二氧化锰修饰碳纳米管的纳米复合材料,修饰的二氧化锰具有层状结构,且均匀地生长在碳纳米管表面;通过对该复合材料表面包覆一层导电离子液聚合物薄膜来进一步改善电极结构,研究发现,结构改善可以提高二氧化锰的利用率和整个电极材料的导电性,其电化学性能也有了明显的提高:在放电电流为1A/g的条件下,比容量从原来的145F/g提高到180F/g;在放电电流从1A/g增加到20A/g时,比容量保持率从原来的49.6％提高到78.9％;此外,其循环稳定性也得到了改善。
以单壁碳纳米管和单壁碳纳米角复合材料为碳载体,设计合成了一种薄层二氧化锰负载的具有多孔结构的碳基三元复合薄膜电极（MnO2/SWNH/SWNT薄膜电极）。作为超级电容器电极,该复合薄膜表现出优异的电化学性能。在1A/g的放电电流下,它的比容量为357F/g,对应的基于MnO2的比容量高达1190F/g,接近于MnO2的理论比容量;在放电电流从1A/g增加到30A/g时,比容量保持率高达65％,表现出优异的倍率性能;经过2000次长时间的循环充放电之后,其比容量仍然保持98％以上,表现出良好的循环稳定性。以二氧化锰-单壁碳纳米管复合薄膜为正极,石墨烯氧化物-单壁碳纳米管复合薄膜为负极,设计组装了一种混合型超级电容器(MnO2/SWNT∥GO/SWNT超级电容器)。在水体系电解液中,该混合型超级电容器的电位窗口可以扩展到2V,且功率密度在1.3kW/kg时,其能量密度可高达36Wh/kg,是现有商用超级电容器的7倍(～5Wh/kg)。
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