随着全球社会对能源消耗的需求不断扩大,对于高效能源存储系统的研究和开发也显得至关重要。市场的储能器件中,锂离子电池和超级电容器各占了一大份额,前者拥有能量密度高和功率密度低的特点,而后者正好相反。为了满足功率密度和能量密度双高的需求,混合超级电容器应运而生。它的两个电极分别采用电池型电极和电容型电极,可以结合两者的优点以达到优异的电化学性能要求。然而电池型电极的反应过程主要是由扩散控制的法拉第反应,反应速率慢,严重限制了器件整体的功率密度。此外,有机电解液存在安全性问题,常规的水系电解液受限于工作电压窗口过低从而制约了能量密度和功率密度。因此,可以同时通过改善电池型电极材料和电解液来提高混合超级电容器的性能。在本课题中,对于电池型正极材料而言,通过颗粒尺寸调控、复合材料制备、增强导电性等方面来提高锰氧基材料的比电容和倍率性能;对于电解液而言,采用水系高浓盐溶液作为电解液不仅克服了有机系电解液的安全问题也克服了常规水系电解液的窄电压窗口问题。从而使得混合超级电容器的能量密度、功率密度、循环寿命得到大幅度提升。具体的研究内容如下:(1)将商业微米级别锰酸锂和石墨烯混合,用一步球磨的方法得到纳米级别的LiMn2O4@graphene混合物。球磨过程中,微米级别的锰酸锂颗粒被粉碎成纳米级别颗粒的同时均匀分散于石墨烯导电网。纳米化的手段提高了锰酸锂颗粒的结构稳定性、提供了大量的活性位点并缩短了离子传输的距离;石墨烯导电网极大地改善了颗粒之间的导电性,同时避免了锰酸锂颗粒的团聚,使得电极材料的倍率性能大大提升。(2)对比纳米LiMn2O4@graphene混合物在1M Li2SCM的常规水系电解液和5M LiTFSI高浓盐电解液的电化学性能,可以发现后者的电化学性能明显优于前者,尤其是在低扫速条件下。高浓盐电解液中的Li+含量较多,反应过程中,从电解液处移至活性材料表面的数目也因此较多,有利于赝电容反应。此外,Li+的溶剂化鞘层中自由水分子数量较少,有利于降低其电化学活性,从而增大了溶液的分解电压。将纳米LiMn2O4@graphene混合物、商业活性炭和5MLiTFSI高浓盐溶液分别作为正极、负极、电解液的混合超级电容器可达到2571 W kg-1的功率密度和20 Wh kg-1的能量密度,且循环7000圈后容量仍能保持98%。(3)用多巴胺包覆法在尖晶石锰酸锂表面包覆一层氮掺杂的碳膜得到LiMn2O4@C复合材料。这种碳包覆的手段有利于避免颗粒之间的团聚从而保证了结构稳定性,同时氮掺杂的碳层可以增大导电性,促进离子传输速率,由此使得电极材料的比电容和倍率性能得到改善。对比LiMn2O4@C复合材料在1M Li2SO4常规水系电解液和5M LiTFSI高浓盐电解液的电化学性能,也可以发现后者的电化学性能较为优异。