中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：超級(jí)電容器具有比鋰離子電池更高的功率密度以及相對(duì)傳統(tǒng)雙電層電容器更高的能量密度，近年來(lái)引起了人們廣泛的研究興趣，并在相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。在眾多電極材料當(dāng)中，氧化錳因其具有理論比電容量高、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，成為最有潛力的超級(jí)電容器電極材料之一。然而，比表面積低、電子及離子傳導(dǎo)性能差、循環(huán)過(guò)程中電極材料在電解液中的易于溶解等缺點(diǎn)，限制了氧化錳電極材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。
不同吸附條件下合成Mn2O3納米顆粒以及多殼層空心球的機(jī)理示意圖
中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員王丹與合作者將具有多孔殼層結(jié)構(gòu)的多殼層Mn2O3空心球用作超級(jí)電容器的電極材料，顯著提高了超級(jí)電容器的比電容量、循環(huán)穩(wěn)定性以及大電流充放電能力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期的Advanced Science上。
研究結(jié)果表明，在眾多提高氧化錳電極材料電容性能的方法中，采用這種多殼層空心微納米結(jié)構(gòu)代替實(shí)心結(jié)構(gòu)是最有效的方法之一。（1）空心結(jié)構(gòu)具有更高的比表面積，能提供更多的法拉第反應(yīng)活性位點(diǎn)，因而能顯著提高超級(jí)電容器的比電容量；（2）多孔結(jié)構(gòu)有利于電解液在電極材料內(nèi)部的擴(kuò)散，縮短了電子及離子的傳輸路徑，改善了超級(jí)電容器的大電流充放電能力；（3）這種特殊的多殼層結(jié)構(gòu)，不同殼層之間可互相支撐，且外部殼層能一定程度上保護(hù)內(nèi)部殼層免受循環(huán)過(guò)程中的電化學(xué)溶解，因而其循環(huán)穩(wěn)定性能也得到明顯提升。為了充分利用多殼層空心結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，該團(tuán)隊(duì)以碳球?yàn)槟０?，通過(guò)調(diào)控吸附過(guò)程中前驅(qū)體溶液的pH值，來(lái)調(diào)節(jié)金屬水合離子和碳球模板表面的電性，成功合成出了單殼層、雙殼層、三殼層以及四殼層的Mn2O3空心球，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物殼層厚度、殼壁孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控。將合成出的多殼層Mn2O3空心球用作超級(jí)電容器電極材料時(shí)，與Mn2O3納米顆粒相比，其電容量、循環(huán)性能以及大電流充放電能力都得到了顯著提高。在放電電流密度為0.5 A/g時(shí)，三殼層Mn2O3空心球的比電容量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1651 F/g，且在連續(xù)循環(huán)2000次后，比電容量仍高達(dá)1517 F/g。該合成方法簡(jiǎn)單可控，所用原料低廉，產(chǎn)物性能優(yōu)越，為高效超級(jí)電容器電極材料的研發(fā)拓展了方向。
