過渡金屬材料的電化學儲能性能范文

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摘要：超級電容器屬于一種儲存電化學能量的設置，充電迅速，使用周期長，可將電化學電容劃分為雙電層電容與贗電容，相比雙電層電容器，贗電容超級電容器具有相對較高的能量密度。過渡金屬氧化物與氫氧化物是一種不可或缺的贗電容器電極材料。為使贗電容器性能更為突出，許多研究集中在過渡金屬氧化物電極材料與氫氧化物電極材料。具體分析了過渡金屬材料的電化學儲能性能，希望借此詳細地闡述電化學儲能性能，了解過渡金屬材料的這種性能，結合這種材料的性能，有效利用。

關鍵詞：過渡；金屬材料；電化學；儲能性能

0引言

是否顏料消耗非常快，環境污染問題突出，高效利用能源、尋找清潔能源，這是當前社會迫切需要解決的問題。能源儲存及高效利用能源，這是世界范圍內應引起注意的問題。電化學能量儲存是一個研究的重要點，電化學能量儲存/釋放通過離子與電子的充電與放電是現代，電池與超級電容器均將電能保存在在電化學過程中，這些電能儲存裝置也稱之為電化學電容器，是非常不錯的能量存儲設備，自身優勢明顯，如功率密度高、高充放電效率等。和電池系統比起來，超級電容器一般是束縛了低的能量密度，為獲得更高的能量密度，比容量與工作電壓的增加是兩個非常重要的探討方向[1]。過渡金屬元素一般包括各個氧化態，在電化學能量儲存中，在氧化氧化還原反應下，實現對能量的保存，所以，過渡金屬基材料普遍應用到贗電容電容器電極上和碳材料比起來，金屬氧化物與氫氧化物具有相對較大的電容，因為它們包含了各電子的轉移。

1研究概況

超級電容器的能量密度處于靜電電容器與電池中間區域，與其他電池設備相比，其具有充電時間短、可多次循環使用等優勢。超級電容器與新能源產業密切相關，超級電容器的工作原理為，放電時，電化學反應形成于電極位置，經由外部電路進行電流的傳導；充電時，外部電壓施加到電極上，對電極上電子產生驅動作用，超級電容器具有雙電層電容與贗電容的電荷存儲模式[2]。雙電層電容類和物理介質電容器有著相似之處，在電荷基礎上，于固體電極與電解質界面實施分離。贗電容電荷，于電極位置，產生氧化還原反應而引起。如果電位被加至電極上，電極材料短時間內發生可逆的氧化還原反應，形成電荷與法拉第電流，贗電容納米材料涵蓋了金屬氧化物、氮化物與導電聚合物，同時還融合了最新的納米結構鋰電池電極[3]。雙電層電容器電極一般為碳材料，贗電容電極材料涵蓋了氫氧化物與導電聚合物等。當電極面積一樣條件下，贗電容要比雙電層電容量高出10倍至100倍。

2過渡金屬材料的電化學儲能性能的具體分析

2.1鈦基超級電容器材料的電化學儲能性能TiO2具有突出的半導體性能，具備特定的幾何結構，這種電極材料可通過溶劑熱法、陽極氧化法等進行制備，陽極氧化法制備的TiO2T納米管陣列具有規則的管狀孔道，大范圍應用到電荷傳輸的活性表面位點與氧化還原反應等[4]。通過氫等離子體方法的使用，對該納米管陣列做出處置，能夠在粗糙、無定形的納米管表面具備羥基與Ti3+。通過電化學方法的使用，改良TiO2納米管性質，這是現階段研究的重點如，還原TiO2納米管電化學陰極，生成氧空位，同時在表面生成羥基，繼而提升電容性能。對超級電容器的反應機理中新插入反應電容機理，在離子嵌入反應之下，生成層狀化合物，應用到能量儲存裝置內，多數主體材料不能插入比鋰離子較大的離子，進來的研究證實，水相鹽溶液中的陽離子可自行地于二維Ti3C2層中插入與脫出。此外，該靈活的Ti3C2Tx能夠被制作成柔性超級電容器，應用于可穿戴能量存儲裝置當中。

2.2鎳基超級電容器材料的電化學儲能性能超級電容器具有非常高的比功率，充電快，是一類新型的儲能裝置，鎳基材料憑借較高的理論比電容值，成為了當前研究的熱點。鎳元素的+2價化合物十分穩定，在超級電容器中NiO和Ni（OH）2的應用十分普遍。為了彌補NiO導電性能差的弊端，人們想方設法的嘗試了多項工作。通過溶劑熱法的使用，獲得了還原氧化石墨烯（rGO）包覆的NiO。在NiO制作當中，為減少NiO的尺寸與厚度，添加了葡萄糖，為電子傳導提供了便利。各種導電材料的作用，使電極材料導電性能更強，極大提升了NiO的贗電容性能。將其他元素添加到NiO晶格中，讓晶格發生畸變，繼而獲得較高的贗電容性能。通過共沉淀與熱分解方法的使用，在NiO電極材料中，當V摻雜量逐步增加時，生成的NiO多孔孔徑不斷增大，使得NiO獲得更大的比表面積，有助于離子的傳輸與擴散。為讓Ni（OH）2獲得更高的電化學性能，運用了電化學沉積方法，于泡沫鎳基底上沉積了多孔Ni（OH）2，該結構的存在，便于擴散及傳輸電解質使電子傳導距離更短，高效應用活性材料。一般在電極材料制備過程中，通常整體考量提升電化學性能的因素，如，獲得了還原氧化a—Ni（OH）2復合物，該結構讓材料獲得更大的比表面積，結構碳材料性能十分出眾，所以，提高了電荷傳導，讓a—Ni（OH）2獲得非常高的贗電容性能[5]。將碳紙作為基底，在化學水浴沉積法利用下，獲得納米結構Ni（OH）2片，碳紙將三維結構提供給Ni（OH）2，促使電解質較有效參與氧化還原反應，同時把導電性出眾的碳紙用作集流器，讓電子傳導更便捷。無定形結構在影響電化學性能方面，研究一直在進行，通過簡潔、綠色的電化學方法的使用，制出無定形Ni（OH）2。通過陽極氧化金屬鎳，獲得了三維結構的鎳復合物納米片，該結構獲得了非常大的活性表面積，同時納米尺寸的孔道結構讓離子傳輸及擴散更為容易。

2.3MoO3基超級電容器材料的電化學儲能性能MoO3基超級電容器材料具有十分寬廣的離子擴散通道，同時，電荷遷移電阻非常低，結構較為穩定，所以，具有突出的儲能特性。這種材料具有電活性，它包括的層結合了微弱范德華力，層間隙能夠嵌入或脫出Li+。取向相同的這種材料介孔膜具有突出的電容與電荷儲存的性能。材料均體現出氧化還原贗電容，而由于層狀結構取向的相同，讓Li+能插進結晶a—MoO3。范德華層中，如此形成了一個額外的嵌入贗電容，并不對MoO3充放電動力學行為構成影響。與碳基材料比起來，MoO3-x較低低的電導率阻礙了電化學性能的提升。所以，提高其電導性的研究很重要。通過高比表面積與高導電率的材料對MoO3-x進行負載，這是一個較為可行的方案。室溫電化學方法制備的ZnO@MoO3。在保持5mV/s掃描速度前提下，可將比容量達至236F／g。該核殼電纜的優勢體現在下述幾點：ZnO納米棒營造了良好的電極電導率，薄的MoO3殼層迅速發生法拉第反應，且是可逆的，為離子擴散提供了非常短的路徑，生長在碳纖維上的WO3-x/MoO3-x，核/殼納米線在非對稱超級電容器中作為負極使用，非對稱電極在0~1.9V中可逆循環[6]。

3結束語

分析為獲得性能優質的超級電容器電極材料，將現階段研究重點集中到特殊結構的電極材料的設計與合成上。過渡金屬基的電極材料提供的比容量比碳材料要高出許多。在高性能電極材料設計上，尤其特別重視電極結構、電導率與結晶態過渡金屬氧化物與氫氧化物均存在導電性弱的情況，設計不同類型的電極結構與復合材料，提升導電率，這是研究的重點所在[7]。納米結構的電極材料能高效利用表面積，為電解質離子的進入提供了方便，繼而呈現增強的電容，納米結構的電極材料也是研究的一個方向[8]。各結晶相與形貌的過渡金屬氧化物與氫氧化物材料對贗電容器性能構成了明顯的影響。未來超級電容器將是趨近現階段可充電電池的能量密度，同時獲得非常高的功率密度，延長使用周期，這需要我們在電極材料研究上多進行大膽的創新嘗試。

作者：張磊 單位：鄭州煤礦機械制造技工學校