关于纳米CoMn?O?颗粒在储能设备应用中的电化学性能研究

《Materials Science and Engineering: B》：Studies on electrochemical performance of nano CoMn 2O 4 particles towards energy storage device applications

通过不同煅烧温度（400-800°C）的溶胶-凝胶法制备CoMn2O4纳米颗粒，研究温度对结构及电化学性能的影响。500°C样品表现出最优性能：比电容1663 F g?1，循环稳定性99%（5000次循环），能量密度47 Wh kg?1，功率密度363 W kg?1。XRD、FTIR和SEM分析证实其晶体结构和形貌优化特性，为超级电容器电极材料设计提供新依据。

　　

作者：Chitra Ravi、Poornima Priyadharshini Seenivasan、Prithivikumaran Natarajan

印度泰米尔纳德邦Virudhunagar的Virudhunagar Hindu Nadars' Senthikumara Nadar学院（自治机构）物理系研究生及研究部门，该学院隶属于印度泰米尔纳德邦的Madurai Kamaraj大学。

摘要

二元金属氧化物纳米颗粒被广泛研究作为储能设备的潜在电极材料。在本研究中，通过改变煅烧温度（分别为400°C、500°C、600°C、700°C和800°C），采用溶胶-凝胶法制备了钴锰氧化物（CoMn?O?）纳米颗粒（NP），以研究其性能随温度的变化规律，从而优化这些颗粒以获得更适合超级电容器应用的电极材料。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析了制备的CMO NP的晶相、粒径、振动模式和表面形态。将制备的CMO纳米颗粒涂覆在镍泡沫上，制成CMO电极，并通过循环伏安法、计时电位法和电化学阻抗谱对其进行了电化学性能研究。结果表明，500°C条件下制备的CMO纳米电极表现出最佳的电化学性能：在5 mV/s的扫描速率下，其比电容为1663 F g?1，并且在经过5000次循环后仍保持99%的循环稳定性。CMO电极的比能量和比功率分别为47 Wh Kg?1和363 W Kg?1。本研究为了解储能设备（如超级电容器）中电极材料的温度依赖性结构变化及其电化学性能提供了关键见解。

引言

尽管可再生能源存在间歇性，但其使用量正在不断增加。由于这些能源的峰值功率输出不足以满足需求，因此储能变得至关重要，以便在需要时提供能量。超级电容器作为一种电化学储能装置，因其超快的充放电能力、长循环寿命、可逆性、高功率密度、灵活的操作方式、高可靠性和环保特性，被认为是未来储能设备的最佳候选者[1]、[2]、[3]。根据储能技术，超级电容器可分为三种类型：双电层电容器（EDLC）、伪电容器（PC）和混合超级电容器（HSC）[4]、[5]。EDLC通过非法拉第过程储存电荷，PC通过法拉第过程储存电荷，而HSC则同时结合了这两种方式。在EDLC中，碳材料被用作电极材料；在PC中，使用金属氧化物或导电聚合物作为电极材料；在HSC中，则同时使用碳材料和导电聚合物/金属氧化物。其中，伪电容器由于在电极-电解质界面接触处具有快速可逆的法拉第氧化还原反应而表现出更高的比电容[6]、[7]。 过渡金属氧化物因其高比电容、优异的储能能力、环保性、可设计的结构以及简单的制备工艺，通常被用作PC的电极材料。与单一金属氧化物相比，基于金属氧化物的二元金属氧化物（如CoMn?O?、MnCo?O?、NiMn?O?、CuMn?O?等）在电化学性能上表现出更优的优势[8]、[9]、[10]。特别是CoMn?O?，由于其较大的比表面积、良好的导电性、低毒性、高理论电容以及优异的电化学性能而备受关注[11]、[12]、[13]。这些特性归因于钴较强的电子获取能力和锰较强的电子转移能力[14]、[15]。 在本研究中，通过将煅烧温度从400°C逐步升高到800°C（每次升高100°C），成功制备了五种不同性质的CMO纳米颗粒。将制备的CMO纳米颗粒涂覆在镍泡沫上，制成CMO-NF电极，并在1 M氢氧化钾电解液中对其电化学性能进行了研究。据我们所知，目前尚未有关于钴锰氧化物纳米颗粒的结构和电化学性能随温度变化的研究报道。

材料

本研究中用于合成CMO纳米颗粒和CMO-NF电极的化学前体包括：醋酸钴（(CH?COO)?Co·4H?O）、醋酸锰（(CH?COO)?Mn·4H?O）、柠檬酸（C(OH)?(COOH)?(COOH)?H?O）、聚乙烯氟化物（PVDF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、活性炭（AC）、氢氧化钾（KOH）以及镍泡沫。

CoMn?O?纳米颗粒的合成

取0.2 M醋酸钴和0.4 M醋酸锰，按1:2的化学计量比分别溶解在适当的溶剂中...

结构表征

通过XRD分析表征了制备的CMO纳米颗粒的晶格结构。图2展示了S?、S?、S?、S?和S?样品的XRD图谱。所有样品在(101)、(112)、(200)、(103)、(211)、(220)、(213)、(301)、(105)、(303)、(224)、(400)、(411)、(206)、(305)、(422)和(325)处的衍射峰与JCPDS卡片编号77–0471的数据一致，证实了这些纳米颗粒属于四方晶系。 不同样品之间的2θ值略有差异，但这种差异在合理范围内。

结论

研究表明，通过溶胶-凝胶法合成的CMO纳米颗粒在作为储能设备电极材料方面具有优异的结构、形态和电化学性能。XRD分析结果显示，随着煅烧温度的升高，CMO颗粒的平均粒径从20 nm增加到26 nm。通过检测确认了CMO纳米颗粒中确实含有钴、锰和氧元素...

作者贡献声明

Chitra Ravi：负责撰写初稿、方法设计、实验研究及概念构建。 Poornima Priyadharshini Seenivasan：负责审稿与编辑工作以及实验研究。 Prithivikumaran Natarajan：负责审稿与编辑工作以及整体研究指导。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 本研究得到了印度泰米尔纳德邦政府Adi Dravidar Welfare Scheme下的“Full time – Ph.D Research scholar incentive scheme”的支持。