五氧化二鈮碳納米管水系鋅離子混合電容器負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能

摘要水系鋅離子混合電容器具有高能量密度和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，從而到了廣泛的關(guān)注。開發(fā)高性能鋅離子電容器的關(guān)鍵在于尋找電池型電極材料，以匹配其與電容型電極材料之間的功率不平衡。本文通過水熱法制備出了碳納米管與五氧化二鈮的復(fù)合物（Nb2O5@CNTs），在0.2A/g的電流密度下放電比容量為257F/g，顯示出其作為鋅離子混合電容器的電極材料的巨大潛力。將Nb2O5@CNTs作為負(fù)極，高比表面積的活性炭（AC）作為正極組裝成Nb2O5@CNTs//AC鋅離子混合電容器，該電容器的電壓區(qū)間為0～1.9V，在0.2A/g的電流密度下其放電比容量高達(dá)95F/g，經(jīng)過3000次循環(huán)后容量保持率為72%，具有良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，能量密度最高達(dá)48W·h/kg，功率密度最高達(dá)1831W/kg，Nb2O5@CNTs//AC鋅離子混合電容器有望作為下一代高性能鋅離子混合電容器。引言當(dāng)今社會(huì)巨大的能源消耗，使得人們對(duì)能夠有效儲(chǔ)存和利用能源的裝置越來越重視，設(shè)計(jì)和開發(fā)高能量、高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)和綠色無污染的先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)是近年來研究的熱點(diǎn)。目前應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置是超級(jí)電容器和電池。超級(jí)電容器具有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)，但是超級(jí)電容器的低能量密度等缺陷嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。相比之下，電池（如目前廣泛使用的鋰離子電池）能量密度大，工作電壓高，但是其廣泛應(yīng)用也受到功率密度低以及循環(huán)穩(wěn)定性差等制約[7-9]。為了平衡和優(yōu)化功率密度和能量密度，人們提出了同時(shí)具有高功率密度和高能量密度的金屬離子混合電容器，其中一個(gè)電極是電池型電極，另一個(gè)電極是電容型電極。

正文部分1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

Nb2O5@CNTs復(fù)合材料的制備1.3

Nb2O5@CNTs電極以及Nb2O5電極的制備1.4

Nb2O5@CNTs//AC鋅離子混合電容器的組裝1.5

樣品表征以及電化學(xué)性能測(cè)試（1）樣品表征使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡鏡（TEM）對(duì)Nb2O5@CNTs復(fù)合物以及純相Nb2O5材料的表面形貌進(jìn)行表征；使用X射線衍射儀（XRD）對(duì)Nb2O5@CNTs復(fù)合材料以及Nb2O5材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。（2）電化學(xué)性能測(cè)試在室溫的條件下，使用CHI660e型電化學(xué)工作站對(duì)Nb2O5電極、Nb2O5@CNTs電極以及組裝后的Nb2O5@CNTs//AC鋅離子混合電容器進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試過程中分別使用三電極測(cè)試系統(tǒng)和扣式電容器系統(tǒng)，對(duì)材料進(jìn)行了循環(huán)伏安（CV）、恒電流充放電（GCD）以及循環(huán)性能的測(cè)試。2

結(jié)果與討論2.1

Nb2O5@CNTs的XRD分析圖1為Nb2O5@CNTs的XRD圖譜。2.2

Nb2O5和Nb2O5@CNTs的SEM分析圖2是Nb2O5晶體和Nb2O5@CNTs在不同倍率下的SEM圖。2.3

Nb2O5@CNTs復(fù)合材料的TEM分析圖3為Nb2O5@CNTs復(fù)合材料的透射電鏡圖。2.4

Nb2O5@CNTs與Nb2O5的電化學(xué)性能測(cè)試分析2.4.1

Nb2O5@CNTs與Nb2O5的循環(huán)伏安分析為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)制備的Nb2O5和Nb2O5@CNTs作為水系鋅離子混合電容器電池型電極材料的電化學(xué)性能，在0.5mol/L

ZnSO4電解液的三電極體系中進(jìn)行了一系列電化學(xué)測(cè)試。2.4.2

Nb2O5@CNTs與Nb2O5的充放電和倍率性能分析圖5表示為Nb2O5和Nb2O5@CNTs在0.2A/g的電流密度下和在-1～0.3V的電壓范圍內(nèi)的恒電流充放電曲線以及倍率性能圖。2.4.3

Nb2O5@CNTs與Nb2O5的循環(huán)性能分析長(zhǎng)循環(huán)壽命是超級(jí)電容器在實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵特性之一。2.4.4

Nb2O5@CNTs與Nb2O5的交流阻抗分析圖7是Nb2O5@CNTs和Nb2O5的交流阻抗圖。2.5

Nb2O5@CNTs//AC鋅離子混合電容器的電化學(xué)性能測(cè)試分析3

結(jié)論結(jié)論本文通過一步水熱法合成了電纜狀的五氧化二鈮/碳納米管（Nb2O5@CNTs）復(fù)合材料，五氧化二鈮顆粒生長(zhǎng)在碳納米管表面，其晶體結(jié)構(gòu)為正交晶系五氧化二鈮。在三電極體系測(cè)試中，Nb2O5@CNTs復(fù)合材料在硫酸鋅溶液中具有明顯的贗電容特性。將Nb2O5@CNTs復(fù)合材料為負(fù)極，AC為正極，以及0.5mol/L

ZnSO4溶液為電解液組裝成Nb2O5@CNTs//AC水系鋅離子混合電容器，當(dāng)電流密度為0.2A/g時(shí)，該混合型電容器的比容量為95F/g，在經(jīng)過3000次循環(huán)后容量保持率為72%，具