层次孔炭纤维负载二氧化锰纳米复合电极材料的制备及其电化学特性的研究

超级电容器能量密度低制约了它在电动汽车中作为独立电源的应用。炭载金属氧化物复合电极兼具良好的导电性和储能性，可同时获得高比功率和比能量。本课题就层次孔炭纤维负载MnO2纳米复合电极材料的制备及其电化学特性展开研究。建立电射流在极快速干燥时相分离过程的物理模型，获得影响无针电纺纤维本体孔结构、孔分布的本征参数；依仿真结果，制备多孔核-壳结构电纺炭纤维前驱体；控制炭化条件，获得层次孔结构空芯炭纤维；采用浸渍法在纤维表面和体相原位复合MnO2；表征MnO2/炭纤维复合电极的材料特性；研究复合方式、微观形貌、表面化学特性和电极组分的材料特性等对复合电极电化学特性的影响规律，建立它们的关联，阐明MnO2/炭纤维复合电极的储能机理与现有赝电容机理、双电层机理间的内在联系；研究该复合电极与电解液体系的相容性，优化其储电性能。为高担载量条件下制备高比能量、比功率炭载MnO2超级电容器电极提供全新思路。

二氧化锰（MnO2）是一种极具潜力的超级电容器用电极材料，但其较差的导电率和复杂多样的结构形貌限制了其电化学性能的发挥。本研究旨在提高MnO2的电化学性能，通过纳米化和复合导电材料的策略，设计并制备高性能的纳米复合材料，探索材料制备工艺、微观结构和电化学特性之间的联系；并在此基础上，从非对称器件结构角度去构建兼具高功率密度和高能量密度的非对称电容器。鉴于导电聚合物良好的电容行为和导电性，本研究选择了两种导电聚合物来提高MnO2的电化学性能，并相应地制备了MnO2/导电聚合物纳米复合材料。首先，采用界面法合成了MnO2/聚苯胺微纳复合球，结果表明复合物具有空心结构和介孔特性，这种独特的三维层次结构使得电解液能够贮存且离子扩散阻力小，复合材料的比电容达到262 F/g。其次，首次提出采用MnO2作为反应模板，通过原位聚合一步合成了聚吡咯纳米结构。通过调控反应摩尔比，获得了MnO2/聚吡咯一维纳米复合管，组分间的协同作用赋予其最高318 F/g的比电容量，且倍率特性和循环稳定性优异。利用电纺纳米碳纤维无纺布作为导电基体，通过原位氧化还原法将MnO2纳米结构均匀地沉积在纤维表面，获得了具有同轴结构的MnO2@纳米碳纤维自支撑电极材料，避免了使用导电添加剂和粘结剂，降低了电极质量并简化了电极制备，复合材料表现出良好的电化学性能。接着从改善外层MnO2纳米结构形貌、提高芯层纳米碳纤维导电性以及纳米复合聚吡咯等角度分别开发了三种有效的制备方式来进一步提高MnO2的利用率，且都获得了性能更加优异的电极材料。此外，还探讨了温度对MnO2@纳米碳纤维电化学行为的影响机理。最后，提出并设计了一系列基于自支撑电极材料的水系非对称电容器体系，组装了以MnO2@纳米碳纤维为正极、活性纳米碳纤维为负极以及Na2SO4水溶液为电解液的非对称电容器，工作电压达2.0 V，分析了正极和负极材料优化器件性能的措施，最终获得了兼具高功率密度（20.8 kW/kg）和高能量密度（30.6 Wh/kg）的非对称电容器，显示出了广阔的应用前景。本课题截止到目前发表SCI收录论文14篇，截止到目前总引用次数371次（google学术），单篇引用次数大于40次的4篇。该工作应邀在Carbon 2014做为特邀报告进行宣讲。