五氧化二铌碳纳米管水系锌离子混合电容器负极材料的制备及其电化学性能.docx
摘要
水系锌离子混合电容器具有高能量密度和高功率密度等优点，从而到了广泛的关注。开发高性能锌离子电容器的关键在于寻找电池型电极材料，以匹配其与电容型电极材料之间的功率不平衡。本文通过水热法制备出了碳纳米管与五氧化二铌的复合物（Nb2O5@CNTs），在0.2A/g的电流密度下放电比容量为257F/g，显示出其作为锌离子混合电容器的电极材料的巨大潜力。将Nb2O5@CNTs作为负极，高比表面积的活性炭（AC）作为正极组装成Nb2O5@CNTs//AC锌离子混合电容器，该电容器的电压区间为0～1.9V，在0.2A/g的电流密度下其放电比容量高达95F/g，经过3000次循环后容量保持率为72%，具有良好的倍率性能和循环稳定性，能量密度最高达48W·h/kg，功率密度最高达1831W/kg，Nb2O5@CNTs//AC锌离子混合电容器有望作为下一代高性能锌离子混合电容器。
引言
当今社会巨大的能源消耗，使得人们对能够有效储存和利用能源的装置越来越重视，设计和开发高能量、高功率密度、循环寿命长和绿色无污染的先进储能系统是近年来研究的热点。目前应用最为广泛的电化学储能装置是超级电容器和电池。超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环稳定性优良等特点，但是超级电容器的低能量密度等缺陷严重限制了其大规模应用。相比之下，电池（如目前广泛使用的锂离子电池）能量密度大，工作电压高，但是其广泛应用也受到功率密度低以及循环稳定性差等制约[7-9]。为了平衡和优化功率密度和能量密度，人们提出了同时具有高功率密度和高能量密度的金属离子混合电容器，其中一个电极是电池型电极，另一个电极是电容型电极。
正文部分
1??实验部分
1.1??主要仪器与试剂
1.2??Nb2O5@CNTs复合材料的制备
1.3??Nb2O5@CNTs电极以及Nb2O5电极的制备
1.4??Nb2O5@CNTs//AC锌离子混合电容器的组装
1.5??样品表征以及电化学性能测试
（1）样品表征
使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜镜（TEM）对Nb2O5@CNTs复合物以及纯相Nb2O5材料的表面形貌进行表征；使用X射线衍射仪（XRD）对Nb2O5@CNTs复合材料以及Nb2O5材料的晶体结构进行表征。
（2）电化学性能测试
在室温的条件下，使用CHI660e型电化学工作站对Nb2O5电极、Nb2O5@CNTs电极以及组装后的Nb2O5@CNTs//AC锌离子混合电容器进行电化学性能测试，测试过程中分别使用三电极测试系统和扣式电容器系统，对材料进行了循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）以及循环性能的测试。
2?结果与讨论
2.1?Nb2O5@CNTs的XRD分析
图1为Nb2O5@CNTs的XRD图谱。
2.2??Nb2O5和Nb2O5@CNTs的SEM分析
图2是Nb2O5晶体和Nb2O5@CNTs在不同倍率下的SEM图。
2.3??Nb2O5@CNTs复合材料的TEM分析
图3为Nb2O5@CNTs复合材料的透射电镜图。
2.4??Nb2O5@CNTs与Nb2O5的电化学性能测试分析
2.4.1?Nb2O5@CNTs与Nb2O5的循环伏安分析
为了系统评价制备的Nb2O5和Nb2O5@CNTs作为水系锌离子混合电容器电池型电极材料的电化学性能，在0.5mol/L?ZnSO4电解液的三电极体系中进行了一系列电化学测试。
2.4.2?Nb2O5@CNTs与Nb2O5的充放电和倍率性能分析
图5表示为Nb2O5和Nb2O5@CNTs在0.2A/g的电流密度下和在-1～0.3V的电压范围内的恒电流充放电曲线以及倍率性能图。
2.4.3??Nb2O5@CNTs与Nb2O5的循环性能分析
长循环寿命是超级电容器在实际应用的关键特性之一。
2.4.4??Nb2O5@CNTs与Nb2O5的交流阻抗分析
图7是Nb2O5@CNTs和Nb2O5的交流阻抗图。
2.5??Nb2O5@CNTs//AC锌离子混合电容器的电化学性能测试分析
3??结论
结论
本文通过一步水热法合成了电缆状的五氧化二铌/碳纳米管（Nb2O5@CNTs）复合材料，五氧化二铌颗粒生长在碳纳米管表面，其晶体结构为正交晶系五氧化二铌。在三电极体系测试中，Nb2O5@CNTs复合材料在硫酸锌溶液中具有明显的赝电容特性。将Nb2O5@CNTs复合材料为负极，AC为正极，以及0.5mol/L?ZnSO4溶液为电解液组装成Nb2O5@CNTs//AC水系锌离子混合电容器，当电流密度为0.2A/g时，该混合型电容器的比容量为95F/g，在经过3000次循环后容量保持率为72%，具有良好的循环稳定性；在电压窗口为1.9V条件下，其最大功率密度为1831W/kg，最大能量密度为48W·h/kg。Nb2O5@