氧化錳電極材料在超級電容器中的應用研究獲進展

　　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，并在相關領域實現了商業應用。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。

　　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構的多殼層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、循環穩定性以及大電流充放電能力。相關結果發表在近期的Advanced Science上。

　　研究結果表明，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構代替實心結構是最有效的方法之一。（1）空心結構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）多孔結構有利于電解液在電極材料內部的擴散，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構，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部殼層免受循環過程中的電化學溶解，因而其循環穩定性能也得到明顯提升。為了充分利用多殼層空心結構的優勢，該團隊以碳球為模板，通過調控吸附過程中前驅體溶液的pH值，來調節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，并實現了產物殼層厚度、殼壁孔徑等結構參數的調控。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紀錄的1651 F/g，且在連續循環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，產物性能優越，為高效超級電容器電極材料的研發拓展了方向。

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。