錳氧化物贗電容器電極材料儲能過程的原位拉曼研究

錳氧化物贗電容器電極材料儲能過程的原位拉曼研究

《錳氧化物贗電容器電極材料儲能過程的原位拉曼研究》是依託華南理工大學,由程爽擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

  • 中文名:錳氧化物贗電容器電極材料儲能過程的原位拉曼研究
  • 項目類別:青年科學基金項目
  • 項目負責人:程爽
  • 依託單位:華南理工大學
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

贗電容器電極材料的儲能機制是實現材料的結構與電化學性能最佳化以及拓展材料套用的物理基礎。本項目擬對錳氧化物(包含單一相和混合相)的電化學性能和儲能機制展開深入的研究。首先,分別合成單一相的Mn3O4和MnO2,對其充放電性能、循環壽命,及在充放電過程中的晶格結構和價態變化進行原位的拉曼光譜研究,同時輔助原位X射線吸收近邊結構譜(XANES)的測試,揭示Mn3O4的儲能機制並完善MnO2的儲能理論。其次,以單一相為基礎,合成混合相,對我們曾首次報導過的混合相錳氧化物電極材料在充放電過程中,不僅錳元素通過價態變化參與能量存儲,傳統理論中認為比較穩定的氧元素位也存在空穴密度的變化並存儲大部分能量的儲能機制進行深入的研究,確定這種儲能機制的誘發因素。在深入理解儲能機制的基礎上,最佳化材料設計,進一步提高材料的電化學性能。

結題摘要

氧化錳做贗電容器電極時具有理論容量高、環保、成本低等優勢,但是存在循環壽命和高負載時實際比容量不高的問題,必須對儲能機制進行深入的研究,才有可能發現解決問題的關鍵,最終實現高性能材料的最佳化設計。本項目基本按照計畫進行,主要研究了不同晶相MnO2和Mn3O4的儲能機制,取得的重要結果如下: 1. 使用原位Ranman的手段檢測到MnOOH的信號,證實α(alpha)相MnO2在中性硫酸鈉中充放電時,既有電解液鈉離子嵌入脫出參與儲能,也有質子參與儲能。而質子參與儲能時產生的中間相MnOOH很容易發生歧化反應產生可溶於水的Mn2+,這跟傳統理論中提出的MnO2在儲能過程逐漸減少造成其循環壽命不高的觀點是一致的。 2. 對於純的Mn3O4相,使用原位拉曼結合其他表征手段發現其在充放電測試的首圈即開始轉變為δ相MnO2,並且此過程不可逆。另外,轉變後的δ-MnO2在充放電過程並無質子參與儲能的信號,僅有電解液鈉離子的嵌入脫出引起的層間距的膨脹/收縮,因而該相具有很好的循環穩定性。 3.根據前期的研究結果設計了具有高容量的多孔δ-MnO2電極,使其容量接近理論值,在此極端條件下研究了其儲能過程,同樣未發現質子相關的Raman信號。結合DFT理論計算,得出此相中質子與電解液鈉離子相比,不傾向於參與儲能的結論。 通過本項目的順利實施,我們對MnO2的儲能機制進行了詳細的探討,發現質子參與儲能具有相結構的選擇性,通過相選擇可以解決因中間相MnOOH的生成造成的循環壽命不高的問題,由此可得到具有高循環壽命的電極,解決了長期以來困擾該領域的一個瓶頸問題。另外,通過本項目的實施有望在後期的研究中解決MnO2實際比容量不高的問題。本項目所涉及的研究目前在國內甚至是世界範圍內都很少有涉及到的,這些重要結論的得出,必將指導錳基高性能超級電容電極材料的設計與研發,推動其產業化的步伐。

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