中國儲能網(wǎng)訊：超級電容器具有比鋰離子電池更高的功率密度以及相對傳統(tǒng)雙電層電容器更高的能量密度，近年來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)應用。在眾多電極材料當中，氧化錳因其具有理論比電容量高、環(huán)境友好、價格低廉等特點，成為最有潛力的超級電容器電極材料之一。然而，比表面積低、電子及離子傳導性能差、循環(huán)過程中電極材料在電解液中的易于溶解等缺點，限制了氧化錳電極材料在超級電容器中的應用。
不同吸附條件下合成Mn2O3納米顆粒以及多殼層空心球的機理示意圖
中國科學院過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空心球用作超級電容器的電極材料，顯著提高了超級電容器的比電容量、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活性位點，因而能顯著提高超級電容器的比電容量；（2）多孔結(jié)構(gòu)有利于電解液在電極材料內(nèi)部的擴散，縮短了電子及離子的傳輸路徑，改善了超級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內(nèi)部殼層免受循環(huán)過程中的電化學溶解，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，該團隊以碳球為模板，通過調(diào)控吸附過程中前驅(qū)體溶液的pH值，來調(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空心球用作超級電容器電極材料時，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，三殼層Mn2O3空心球的比電容量達到創(chuàng)紀錄的1651 F/g，且在連續(xù)循環(huán)2000次后，比電容量仍高達1517 F/g。該合成方法簡單可控，所用原料低廉，產(chǎn)物性能優(yōu)越，為高效超級電容器電極材料的研發(fā)拓展了方向。
