锰氧化物纳米材料电容性能的研究文献综述
2020-04-14 20:09:26
化石能源的逐渐枯竭和环境问题的愈加恶化迫使全球加快对绿色能源的开发与利用[1-2]。目前,风能、太阳能、水能等可再生能源逐步推广,有效缓解了能源危机和生态危机[3-4]。然而由于自然条件的不确定性,可再生能源发电具有巨大波动性。为消除这种影响,不得不使用高效快速的储能设备削峰填谷[5-6]。众多的储能设备中,电池与超级电容器是两类最重要的电化学储能技术。电池通过发生在体相的氧化还原反应储存电荷而具有较高的能量密度,然而其缓慢的电荷转移能力限制了其高功率输出性能,同时容易引起热效应和枝晶等严重安全隐患[7-8]。
作为电池在某些领域的替代方案,超级电容器具有高功率存储输出及超长循环寿命等显著优势[9,10],满足了现代科技对快速的极大要求。1972年,日本NEC公司首次商业化超级电容器至今,更新迭代的超电容不仅在最初的备用电源行业延续着辉煌,同时也更多地在轻轨、电动巴士、重型吊车、再生制动等现代科技应用中渐露锋芒[6,11],正凭借其稳定高效存储输出电能的优势不断融入各行各业。
超级电容器电极过程通常可概括为双电层过程和赝电容过程。双电层过程是通过界面双电层效应储存电能,其充放电过程仅涉及界面处的静电作用,响应速度接近10-8秒,相对只有10-2~10-4秒响应速度的赝电容过程,具有更高功率的储存输出能力[12];然而,其储存的电荷量与负载电荷的有效面积成正比,其容量极大受限于材料比表面积的大小,这也制约其的广泛运用[13]。与双电层过程不同,赝电容过程是通过法拉第过程储存电能,即材料表面及近表面发生的可逆快速的氧化还原过程,相比双电层过程具有更高的能量密度。相对电池与双电层型电容,赝电容更为平衡的功率密度与能量密度关系使其在越来越多的方向得到应用。
RuO2是最早发现的一种理想赝电容材料,然而其高昂的价格限制了大规模运用的可能,目前仅被范围地运用在一些高精尖设备中[14]。因此研究者们开始将目光转向价格更为低廉的过渡金属氧化物及氢氧化物,寻找到了MnO2、SnO2、NiO、VOx、TiO2、MoO3、WO3、Fe2O3和Co(OH)2等一系列新型赝电容材料[15,16]。锰氧化物不仅价格低廉、自然丰度高及低毒性,其中MnO2理论容量可高达1370 F/g[17]。值得注意的是,其电解液并非常见的强酸强碱及昂贵有毒的有机电解质,为廉价中性的中性水系电解质,如Na2SO4、NaCl溶液等,更能满足现代社会对绿色环保的追求。自1999年发现至今,科研人员通过不同的合成方法制备及改进出种类繁多、性能优良的锰氧化物(MnOx)材料,显现出广阔的应用前景[18,19]。
同时,随着社会日新月异的发展,储能器件迫于人们对便携、可穿戴的要求,开始走向柔性化[20]。由于MnOx导电性不佳[21],应用于柔性储能器件时常需负载于导电的柔性基底。尽管使用粘结剂固定方法较为成熟,但粘结剂具有一定的绝缘性将很大影响器件的储能效率;且粘结剂往往使用挥发性有机溶剂,对环境和健康造成不利影响[22]。为发展出更高性能的柔性储能器件,研究者们将目光投向免粘结剂的原位负载技术,其中电沉积这种古老的原位生长方法在新型柔性储能器件的制备中备受关注。