超级电容器电极材料研究——锰/钴/镍基电极材料

本书以开发锰/钴/镍基金属氧化物、硫化物和磷化物高效储能材料为主题，系统概述了各类储能电极材料在超级电容器领域的应用与研究进展，并详细介绍了作者近些年在超级电容器电极材料研究方面的代表性工作，具体涵盖了锰/钴/镍基金属氧化物、硫化物和磷化物材料的合成、结构与性能关系以及在储能系统中的实际应用。
本书可供从事超级电容器储能方面的专业技术人员、高校涉及新能源专业的本科生和研究生参考学习。

庞明俊，博士，山西大同大学煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心，主要从事超级电容器电极材料的开发及应用研究。曾参与国家国际科技合作专项“有机系超级电容制备技术的引进与开发（2014DFR61140）”，吉林省工信厅新能源汽车重大专项“一汽插电式混合动力客车复合电源研究开发（A08-BK-2013）”，参与了课题高比容量活性炭材料的研发，集流体表面改性技术的研究，在超级电容器的电极材料的设计与合成方面已积累了丰富的经验。2011年至今，一直在锰、钴和镍基金属氧化物、硫化物和磷化物的制备及储能应用方面进行了大量的基础研究，同时，也进行了超级电容器器件性能研究。

本书以开发锰、钴和镍基金属氧化物、硫化物和磷化物高效储能材料为主题，简要介绍了目前超级电容器电极材料的研究现状和储能机制，系统介绍了锰、钴和镍基金属氧化物、硫化物和磷化物储能材料在超级电容器领域的应用与研究进展，重点对石墨烯/无定形 α-MnO2 复合材料，分级 δ-MnO2纳米片电极材料，氧化钴纳米材料，钴酸镍纳米电极材料，钴镍双金属氧化物，钴镍双金属磷硫化物，钴镍双金属硫化物和钴镍双金属磷化物纳米材料的制备，结构与性能的关系以及电极储能性能及器件性能进行了详细的介绍，希望可以为读者提供更多的借鉴和参考。

随着全球对可持续能源发展的日益关注，能源储存技术在能源高效利用方面发挥着至关重要的作用。超级电容器作为一种新型储能技术，具有功率高、免维护、寿命长等优异性能，成为学术界和产业界关注的热点。而电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能的优劣直接决定了超级电容器的储能性能。
根据储能和转化机理，现有电极材料可分为三类：双电层电容材料、赝电容或电池型材料以及由双电层电容材料和活性材料组成的复合材料。与双电层电容材料的高倍率能力和循环稳定性相比，赝电容或电池型电极材料，包括各种导电聚合物、过渡金属氢氧化物、氧化物、硫化物、氮化物和磷化物，具有较高的比容量和能量密度。近年来，锰/钴/镍基金属氧化物、硫化物和磷化物储能材料因其具有高比容量、长循环寿命、低内阻等优点，逐渐成为超级电容器电极材料的研究热点。然而，该类材料在制备、改性、应用等方面仍存在诸多挑战和问题，亟待深入研究和探讨。
笔者从2011年始在吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室从事超级电容器储能技术研究，十多年来一直从事锰/钴/镍基电极材料的制备、结构表征与性能研究，取得了一些创新性的研究成果，希望能够将自己在这方面的工作成果和经验体会总结出来，为从事超级电容器研究的学者和同行提供有益的参考和指导，进而推动锰/钴/镍基电极材料在超级电容器领域的发展和应用。
本书基于笔者的科研成果及国内外的相关研究进展撰写而成，以开发锰/钴/镍基金属氧化物、硫化物和磷化物高效储能材料为主题，简要介绍了目前超级电容器电极材料的研究现状和储能机制，系统介绍了锰/钴/镍基金属氧化物、硫化物和磷化物储能材料在超级电容器领域的应用与研究进展，重点对石墨烯/无定形α-MnO2复合材料、分级δ-MnO2纳米片电极材料、氧化钴纳米材料、钴酸镍纳米电极材料、钴镍双金属氧化物、钴镍双金属磷硫化物、钴镍双金属硫化物和钴镍双金属磷化物纳米材料的制备、结构与性能的关系以及电极储能性能及器件性能进行了详细的介绍，希望可以为读者提供更多的借鉴和参考。
本书得到了山西省自然科学基金项目（20210302124491，20210302123341）、山西省高等学校科技创新项目（201802097，2019L0745）、大同市重点研发计划项目（2023003）和山西大同大学博士科研启动基金项目（2016-B-14，2016-B-20）等的资助，也得到了山西大同大学煤基生态碳汇技术教育部工程研究中心等科研平台的大力支持。
衷心感谢我的导师纪媛教授，在科研过程中她给予了我无私的指导和帮助，为我提供了宝贵的学术资源和建议，这为本书的形成起到决定性的作用。同时，蒋尚副教授为本书的完成给予了极大的鼓励和支持。研究生何文秀、毛苗苗、庞敏、张如霞、宋兆阳、武志宇和焦玉琳等人在相关文献资料的整理和文字编排方面作出了很大贡献，这些工作为本书主要内容的形成奠定了坚实的基础。另外，本书的编写得到了化学工业出版社的大力支持。在此一并致以衷心的感谢。
尽管我们已经尽力确保本书内容的准确性和完整性，但是由于水平所限，书中不当之处在所难免。欢迎读者提出宝贵的意见和建议，以便我们不断改进和完善。

庞明俊   
2024年6月

第1章 绪论  001
1.1 引言  001
1.2 超级电容器简介  002
1.2.1 超级电容器的优缺点及常见的单体  002
1.2.2 超级电容器的组成  005
1.2.3 超级电容器的储能原理  007
1.3 超级电容器电极材料的电化学性能测试  010
1.3.1 比容量  010
1.3.2 倍率  014
1.3.3 能量密度和功率密度  014
1.3.4 循环性能  015
1.3.5 内阻  015
1.4 超级电容器电极材料  017
1.4.1 碳基材料  017
1.4.2 导电聚合物材料  018
1.4.3 过渡金属氧化物及其衍生物电极材料  019
1.5 材料表征设备  033
参考文献  034

第2章 石墨烯/无定形α-MnO2复合电极材料  045
2.1 引言  045
2.2 电极材料的制备  046
2.2.1 石墨烯（GNS）的合成  046
2.2.2 GNS/α-MnO2复合材料共沉淀合成  047
2.3 电极片的制备  047
2.4 材料的表征  048
2.4.1 晶相结构表征  048
2.4.2 形貌表征  049
2.5 电化学性能测试  054
参考文献  058

第3章 分级δ-MnO2纳米片  062
3.1 引言  062
3.2 δ-MnO2纳米片的原位生长  063
3.3 反应温度对MnNF电极材料生长的影响  064
3.4 MnNF电极材料的生长机理  066
3.5 MnNF电极材料的结构表征  067
3.6 MnNF电极电化学性能测试  070
3.6.1 循环伏安测试  070
3.6.2 恒流充放电测试  072
3.6.3 电化学阻抗测试  073
参考文献  075

第4章 CoO/Co3O4纳米复合材料  078
4.1 引言  078
4.2 CoO/Co3O4复合材料的制备  079
4.3 CoO/Co3O4复合材料的表征  079
4.3.1 晶相结构表征  079
4.3.2 形貌表征  081
4.4 CoO/Co3O4电极材料的电化学性能测试  085
4.4.1 三电极体系测试  085
4.4.2 两电极体系测试  091
参考文献  093

第5章 高比表面积的介孔NiCo2O4纳米球  097
5.1 引言  097
5.2 NiCo2O4纳米球的典型合成方法  099
5.3 NiCo2O4纳米材料的表征  099
5.4 NiCo2O4纳米材料的电化学性能测试  104
5.4.1 三电极体系测试  104
5.4.2 非对称电容器性能  109
参考文献  113

第6章 磷硫化钴镍双金属纳米材料  116
6.1 引言  116
6.2 材料制备  118
6.2.1 CoNi-OH纳米前驱体的制备  118
6.2.2 S-P-CoxNiy纳米材料电极的制备  119
6.2.3 S-P-CoxNiy||活性炭非对称电容器的组装  119
6.3 S-P-CoxNiy纳米材料的表征  121
6.4 S-P-CoxNiy纳米材料储能性能  127
6.4.1 三电极体系测试  127
6.4.2 非对称电容器性能  137
参考文献  142