纳米二氧化锰/多孔碳水系非对称电容器的关键材料制备及机理研究

本课题拟开发一种简单快捷、低成本的纳米二氧化锰制备方法，在纳米尺度上合成并控制尺寸和形貌的二氧化锰颗粒，并结合电化学方法及先进测试手段研究二氧化锰物理性能对其电化学性能的影响规律；在对二氧化锰独特晶体结构的深刻理解之上，提出利用高价态离子的嵌入反应来大幅提高二氧化锰赝电容的新概念和新思路，并利用一价碱金属离子、二价碱土金属离子和三价铝离子为离子探针，结合物理化学表征手段，研究二氧化锰赝电容理论及其影响规律；最后把新材料和新概念有机结合设计出"下一代"MnO2/AC水系非对称电容器。本项目的研究不仅可实现二氧化锰关键材料的可控制备，而且能够揭示二氧化锰赝电容原理及其影响因素，对我国在此领域的发展和商业化具有推动作用。

本研究从最常用的化学共沉淀法为切入点，首先制备出针状二氧化锰纳米颗粒，接着利用表面活性剂在三元溶剂体系里自动排列的特性，在纳米尺度上设计和合成了纳米球型颗粒，这种球型纳米颗粒表现出良好的电化学行为。还提出了一种制备PGCs的新方法：通过化学活化和催化石墨化相结合，制备出石墨化度可调的多孔炭。通过调节反应物的比例和热处理温度，可以有效调节比表面积和孔分布。.通过对二氧化锰和活性炭电极的电化学研究，根据二氧化锰和活性炭在相同电解液中具有不同的电化学窗口，设计出一系列非对称电容器。非对称电容器以二氧化锰为正极，活性炭为负极，以含二价碱土金属离子（Mg2+、Ca2+和Ba2+ ）的水溶液为电解液，组成AC/MnO2非对称电容器。这些非对称电容器同时具有电解液嵌入和脱出二氧化锰的电化学电容反应和活性炭大表面吸附或脱附电解液离子的电化学双电层的特点。.通过优化正负极活性物质的比例，成功组装出非对称电容器，这类非对称电容器的工作电压突破了水分解电压的限制，其工作电压高达2 V。电容器的电化学测试结果表明，通过引入高容量的二氧化锰电极材料和二氧化锰多价态离子储存原理，利用非对称设计，可把电容器的能量密度提高8倍以上。循环测试结果表明，经过万次循环，非对称电容器的容量还能保持在90％，每次循环其库仑效率接近100％。结果表明，高电压水系电容器可作为廉价、安全和绿色的二次电源器件而广泛应用于各种领域。.在国际重要学术期刊发表和接受15篇SCI文章；申请专利5项，获得授权4项；所制备二氧化锰电极材料的最高比容量为330 F/g，供单体电压为2V的水系电容器，能量密度达到对称水系炭双电层电容的8倍以上。