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高性能非对称超级电容器用碳 nanotube@NiMn2O4核壳纳米复合材料的微波辅助制备及改进机理

该研究发表于 Journal of Power Sources（2020），使用 XH-800S 开展 超级电容器、NiMn₂O₄ 研究，关键结果包括容量保持率 93.0%；容量保持率 82.8%；循环稳定性 82.8%。

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论文编号 333
应用方向 超级电容器、NiMn₂O₄、碳纳米管、核壳结构、微波辅助合成、非对称超级电容器
关键结果 容量保持率 93.0%
核心条件 温度 160°C / 180°C / 80°C
论文编号
333
期刊
Journal of Power Sources
影响因子
9.794
中科院分区
1 区
发表年份
2020
DOI
10.1016/j.jpowsour.2020.228609
设备型号
XH-800S
作者单位
大连海事大学；大连海事大学 交通运输工程学院
Dalian Maritime University; School of Transportation Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
研究方向
超级电容器 NiMn₂O₄ 碳纳米管 核壳结构 微波辅助合成 非对称超级电容器

事实快照

  • 论文：高性能非对称超级电容器用碳 nanotube@NiMn2O4核壳纳米复合材料的微波辅助制备及改进机理
  • 设备：XH-800S
  • 期刊与分区：Journal of Power Sources，中科院 1 区
  • 核心条件：温度 160°C / 180°C / 80°C；微波功率 800 W；时间 1 h / 2 h / 8 h
  • 关键结果：容量保持率 93.0%；容量保持率 82.8%；循环稳定性 82.8%
  • 用途：可作为 超级电容器、NiMn₂O₄ 的论文证据页。

研究摘要

论文摘要指出，随着电动汽车和移动电子设备的快速发展，高功率可再生能源存储系统（如超级电容器）受到广泛关注，但其能量密度较低限制了实际应用。研究使用XH-800G微波水热反应器在160°C、1 h条件下快速合成了碳纳米管@NiMn₂O₄（CNT@NMO）核壳纳米复合材料。微波辅助合成的NiMn₂O₄呈弱结晶性，有利于电解质离子扩散。CNTs核提供三维导电网络和机械支撑，NiMn₂O₄纳米片壳提供高电容。CNT@NMO比电容达915.6 F/g（1 A/g），电荷转移电阻仅2.19 Ω，5000次循环后容量保持率93.0%。组装的CNT@NMO//AC非对称超级电容器能量密度达36.5 Wh/kg（功率密度800 W/kg），10000次循环后容量保持率82.8%，优于文献报道的同类器件。

研究背景与解决的问题

论文摘要指出，随着电动汽车和移动电子设备的快速发展，高功率可再生能源存储系统（如超级电容器）受到广泛关注，但其能量密度较低限制了实际应用。

设备应用与实验条件

项目参数
温度160°C / 180°C / 80°C
微波功率800 W
时间1 h / 2 h / 8 h

关键结果

容量保持率 93.0%
容量保持率 82.8%
循环稳定性 82.8%
指标结果
容量保持率93.0%
容量保持率82.8%
循环稳定性82.8%

机制/方法亮点

  • 微波辅助作用机制： 快速均匀加热：；XH-800G微波水热反应器800 W功率，1 h完成合成；较传统水热法（12 h）缩短12倍；微波穿透深度大，热梯度极低，促进均匀成核 弱结晶度优势：；微波辅助导致NMO结晶度较弱；弱结晶性有利于电解质离子扩散；提供更多活性位点参与氧化还原反应 CNT酸化预处理效应：；HNO₃蒸汽酸化在CNTs表面引入含氧官能团（-COOH, -OH）；增强CNTs与NiMn₂O₄的界面结合；引入缺陷和空位，提高电化学活性；微波处理后部分官能团去除，恢复导电性 核壳结构协同效应： 导电网络：；CNTs骨架形成三维导电网络；加速电子传输，降低电荷转移电阻（2.19 Ω） 结构稳定性：；CNTs核提供机械支撑；抑制NiMn₂O₄纳米片在充放电过程中的体积变化；提高循环稳定性（93.0%保持率） 离子传输通道：；纳米片间形成大量介孔；缩短离子扩散路径；提高倍率性能 电荷存储机制：；低扫速：扩散控制过程主导；高扫速：电容过程主导；NiMn₂O₄的多氧化态（Ni²⁺/Ni³⁺, Mn²⁺/Mn³⁺）提供丰富氧化还原反应

应用价值

  • 快速微波合成：XH-800G微波水热反应器1 h合成核壳结构，较传统水热法缩短12倍
  • 高比电容：CNT@NMO比电容达915.6 F/g（1 A/g），优于文献报道的NiMn₂O₄基材料
  • 优异循环稳定性：5000次循环后93.0%容量保持，10000次循环后82.8%保持
  • 核壳结构优势：CNTs核提供导电网络和机械支撑，NiMn₂O₄壳提供高电容
  • 实用化器件：组装ASC实现36.5 Wh/kg能量密度，具有实际应用潜力

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常见问题

这篇论文使用了哪种设备？
本研究使用 XH-800S。
研究的核心发现是什么？
该研究发表于 Journal of Power Sources（2020），使用 XH-800S 开展 超级电容器、NiMn₂O₄ 研究，关键结果包括容量保持率 93.0%；容量保持率 82.8%；循环稳定性 82.8%。
该研究发表在哪个期刊？
发表于 Journal of Power Sources，中科院 1 区。
引用信息
Microwave-assisted preparation and improvement mechanism of carbon nanotube@NiMn2O4 core-shell nanocomposite for high performance asymmetric supercapacitors
Journal of Power Sources, 2020
DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228609