二氧化锰纳米结构薄膜的制备及其电化学储能应用

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangqiang1818
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二氧化锰具有理论容量高、价格低廉、储量丰富、环境友好等一系列优点,在能源储存领域得到了广泛研究。在超级电容器中,二氧化锰的赝电容储能机理使其具有极高的理论容量,远高于基于双电层电容储能的碳材料,非常适用于制备小型和特殊结构的储能器件。然而将二氧化锰制备成薄膜结构后,几乎不具备透光性与柔韧性,这使其很难应用在柔性和透明的超级电容器中。在锂硫电池中,二氧化锰的强极性锰氧键可以对溶解在电解液中的多硫化锂进行很好的化学吸附,进而可以抑制多硫化锂的穿梭效应。然而二氧化锰本身较差的导电性使得其吸附的多硫化锂很难被再次利用,无法达到大幅提升锂硫电池性能的目的。本文通过将二氧化锰制备成具有特殊微纳米结构的薄膜,对其透光性、柔韧性、导电性等进行了有效地调控,使之成功应用于柔性透明超级电容器以及锂硫电池隔膜中。具体研究成果如下:(1)通过呼吸图法在基底上制备有序多孔聚合物薄膜作为模板,随后将二氧化锰电沉积在模板孔洞中形成岛状阵列薄膜,移除表面的聚合物模板后,将二氧化锰岛状阵列电极与凝胶电解质组装成全固态三明治结构柔性透明超级电容器。通过改变沉积时间,对二氧化锰岛状阵列的厚度和间隙距离进行了调控。二氧化锰岛状阵列中的空白区域,即聚合物模板原先覆盖的区域,能够很大程度的提高电极的透光度。同时这种岛状阵列结构可以有效地消除薄膜中的内应力,避免弯曲操作时出现裂缝。最终,所得到的柔性透明超级电容器在550 nm波长处能达到44%的透光率,弯曲到180°能够有90.2%的容量保持率,在50μA cm-2的电流密度下面积比电容能够达到4.73 mF cm-2,同时还有很好的循环稳定性。(2)通过水热法制备了超长二氧化锰纳米线,将其与碳纳米管均匀混合后修饰到聚丙烯隔膜上,将修饰后的隔膜应用到锂硫电池里,能够有效地抑制穿梭效应并提升电池性能。在该修饰层薄膜中,二氧化锰可以有效地通过化学吸附捕获溶解的多硫化锂,碳纳米管形成的导电网络可以实现电子的快速转移,以加速多硫化锂的氧化还原反应。同时,由纳米线和纳米管这些一维纳米材料形成的多孔结构不会影响到锂离子的正常迁移。所制备的修饰隔膜可显著地提升锂硫电池的循环性能和稳定性能,在1C的电流密度下,其初始容量可以达到843.7mAh g-1,在500次循环后容量仍能保持初始的68.03%,每圈仅衰减0.136%。
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