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张育新，刘晓英，董帆 著

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• 超级电容器
• 二氧化锰
• 储能材料
• 电化学储能
• 能源材料
• 电极材料
• 纳米材料
• 新型储能
• 材料科学
• 应用研究

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030523044

版次：1

商品编码：12127175

包装：精装

丛书名： 信息材料与应用技术

开本：16开

出版时间：2017-05-01

用纸：胶版纸

页数：371

字数：485000

正文语种：中文

内容简介

《二氧化锰基超级电容器：原理及技术应用》内容涉及超级电容器研究现状、氧化锰基电容器性能主要影响因素、二氧化锰电极材料的制备与应用等，重点介绍了不同形貌的二氧化锰与碳材料、导电聚合物、金属氧化物等复合结构电极材料的制备方法和相关性能。此外，还介绍了新近发展起来的微型电容器，内容涉及当前二氧化锰超级电容器前沿的发展状况。

作者简介

　　张育新，1978年6月生，2000年和2003年分别获得天津大学化工学院学士和硕士学位，2003－2008年新加坡国立大学博士＆博士后，2009年加入重庆大学，2014年评为教授，2016年材料＆化工双聘博士生导师。2016入选重庆科技创新领军人才。

内页插图

目录

1 绪言 1
1.1 超级电容器研究现状 1
1.2 超级电容器原理 5
1.3 超级电容器电极材料分类 6
1.4 氧化物超级电容器 8
1.5 二氧化锰的基本性质 8
1.6 二氧化锰晶型 9
1.7 锰资源现状及产业概述 11
1.8 锰电解产品 14
1.8.1 金属锰 14
1.8.2 二氧化锰 16
1.8.3 高锰酸钾 20
2 氧化锰基超级电容器的主要影响因素分析 22
2.1 晶型 22
2.2 形貌结构 25
2.3 导电性 26
2.4 负载量 27
2.5 电解质 27
2.5.1 电极界面电极-电解质模型 28
2.5.2 水系电解质 30
2.5.3 有机电解质 31
2.5.4 离子液体电解质 32
2.5.5 固态聚合物电解质 38
2.5.6 氧化还原电解质 38
2.5.7 自放电 39
2.5.8 产业化 40
参考文献 40
3 二氧化锰纳米结构电极材料的制备及应用 41
3.1 硬模板法 41
3.2 软模板法 60
3.3 无模板法 69
3.3.1 水热/溶剂热法 69
3.3.2 溶胶-凝胶法 84
3.3.3 微波法 90
3.3.4 电沉积法 102
3.3.5 电纺丝法 107
参考文献 114
4 二氧化锰复合电极材料的制备及应用 120
4.1 二氧化锰-碳复合电极材料 120
4.1.1 二氧化锰-碳纳米管 120
4.1.2 二氧化锰-石墨烯 127
4.1.3 二氧化锰-多孔碳 132
4.1.4 介孔碳-MnO2复合纳米材料的结构表征 138
4.1.5 二氧化锰-碳纤维 145
4.1.6 二氧化锰-碳球 164
4.1.7 二氧化锰-碳气凝胶 171
4.2 二氧化锰-导电聚合物 179
4.2.1 二氧化锰-PANI 179
4.2.2 二氧化锰-PEDOT 186
4.2.3 二氧化锰-PPy 192
4.3 二氧化锰-导电金属 198
4.3.1 二氧化锰-贵重金属（Au，Ag） 199
4.3.2 二氧化锰-过渡金属 205
4.3.3 二氧化锰-泡沫镍 212
4.4 二氧化锰-金属氧化物/氢氧化物 220
4.4.1 MnO2-Co3O4 220
4.4.2 MnO2-NiO/Ni(OH)2 225
4.4.3 NiOaMnO2核壳结构复合材料的制备、表征及电化学特性 226
4.4.4 MnO2-TiO2 234
4.4.5 MnO2-ZnO 242
4.4.6 刻蚀CuOaMnO2核壳结构制备MnO2纳米管及其电化学性能研究 248
4.5 二氧化锰-其他过渡族氧化物 266
4.5.1 MnO2-SnO2 267
4.5.2 MnO2-CuO 276
4.5.3 (BiO)2CO3aMnO2复合材料的制备及电化学性能研究 286
4.5.4 Bi2O3aMnO2复合材料的制备及电化学性能研究 294
4.6 二氧化锰-双金属氧化物/氢氧化物 302
4.6.1 MnO2-CuCo2O4 303
4.6.2 MnO2-Co2AlO4 311
4.6.3 MnO2-NiCo2O4 320
4.6.4 MnO2-ZnAl-LDO 330
4.6.5 MnO2aCoAl-LDH 335
参考文献 343
5 二氧化锰微型电容器 361
5.1 石墨烯/二氧化锰微型超级电容器 362
5.2 镍/二氧化锰微型超级电容器 364
5.2.1 镍/二氧化锰电极制备 364
5.2.2 结果与讨论 365
5.3 二氧化锰/导电聚合物/碳纳米管微型超级电容器 366
参考文献 369
6 总结及展望 370
索引 373

前言/序言

超级电容器比传统电容器具有更高的电容和能量密度，比电池具有更高的功率密度，具有广阔的应用前景。
过渡金属氧化物是超级电容器常用的电极材料之一，其电化学性能良好，不但有电极／电解液上电荷分离产生的双电层电容，还有由快速、高度可逆的化学吸附／脱附和氧化／还原反应产生的法拉第电容。其中二氧化锰（Mn02）的储量丰富、价格低廉，不但电化学性能优良，而且对环境友好，近年来在超级电容器电极材料的研究中备受关注。
作者所在重庆大学材料科学与工程学院多维度自组装纳米结构课题组，在国内二氧化锰专家、陕西师范大学刘宗怀教授等的帮助和关心下，在超级电容器探索和研究中有所突破，并取得了若干新成果，特编著本书，以总结多年科研工作及当前世界二氧化锰最新科研成果，以飨读者。
本书内容涉及超级电容器研究现状、二氧化锰基电容器性能主要影响因素、二氧化锰电极材料的制备与应用等，重点介绍了不同形貌的二氧化锰与碳材料、导电聚合物、金属氧化物等的复合结构电极材料的制备方法和性能。此外，还介绍了新近发展起来的微型电容器，内容涉及当前二氧化锰超级电容器最前沿的发展状况。
本书最大的特点：①内容全面，简明扼要地介绍了二氧化锰自组装纳米结构在超级电容器的应用研究中诸多最新的科研成果，对二氧化锰基超电级电容器研究有重要的参考价值；②关注超级电容器领域的成果对未来人们生活的深远影响；③坚信储能材料科学将对其他学科的纵深发展提供有利支持。
本书由张育新编写第1章和第4章，刘晓英编写第2章和第3章，董帆编写第5章和第6章，最后由张育新审校定稿。刘晓莉、张燕、陈浩、王小、彭辉华、何怡、姜德彬、李敏、王恬、乐秋建、李凯霖、孙庆、肖玉、单乾元等研究生参与了文字和图片的整理工作。
谨以本书献给广大读者，期待本书能够为储能材料及相关领域科研工作者及学生们提供一些有益的帮助！由于水平有限，书中难免有疏漏或不妥之处，恳请广大读者批评指正。

《电化学能量存储：基础理论与新型材料》 本书深入探讨了电化学能量存储领域的核心科学原理，并着眼于前沿的新型材料发展及其在各类储能设备中的应用潜力。本书并非专注于单一材料体系，而是以更宏观的视角，勾勒出整个电化学储能技术的概貌。 第一部分：电化学储能基础理论 本部分旨在为读者构建扎实的理论基础，理解电化学能量存储的根本机制。 电化学原理概览： 从法拉第定律、能斯特方程等基本原理出发，阐述电化学反应在能量转化过程中的作用。详细解析氧化还原反应、电极电势、电池电压等关键概念。 离子传输动力学： 深入探讨电解质中离子的传输行为，包括扩散、迁移和电渗析等现象。分析电解质结构、黏度、电导率等因素对离子传输效率的影响，以及界面上的电荷转移过程。 电极-电解质界面特性： 重点研究电极材料表面与电解质溶液之间的界面结构与行为。阐述双电层形成、界面电阻、充放电过程中的界面反应等，这些是影响器件性能的关键。 能量存储机制： 区分不同的能量存储机制，如表面吸附（双电层电容）、赝电容（法拉第过程）以及嵌入/脱嵌反应等。分析这些机制对器件比容量、功率密度和循环寿命的影响。 储能器件的性能评价指标： 详细介绍评估电化学储能器件性能的关键参数，包括能量密度、功率密度、循环寿命、库仑效率、能量效率以及自放电率等。解释这些指标的计算方法及其物理意义。 第二部分：新型储能材料与器件探索 本部分聚焦于近年来在电化学储能领域涌现出的新型材料，并探讨其在不同储能器件中的应用前景。 高性能电极材料： 碳基材料： 除了传统的活性炭，还将深入介绍石墨烯、碳纳米管、多孔碳等新型碳材料。分析它们的结构特性（如高比表面积、优异的导电性）如何提升器件性能。 金属氧化物与混合金属氧化物： 探索如RuO2（虽然在某些体系中表现出色，但因成本等问题，本部分会更侧重于探索其替代品或改性策略）、MnO2（本书不深入讨论）、TiO2、Fe3O4等材料在储能中的应用。分析其氧化还原活性和离子储存机制。 导电聚合物： 介绍聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电聚合物。阐述其作为电极材料的优势（柔韧性、易加工性）以及如何通过掺杂和结构设计来提高性能。 MXenes： 作为一种新兴的二维材料，MXenes因其优异的导电性和丰富的表面官能团，在电化学储能领域展现出巨大潜力。本部分将对其结构、制备方法以及在超级电容器和电池中的应用进行详细阐述。 钙钛矿与层状材料： 探讨某些钙钛矿结构材料和层状化合物在储能中的潜在应用，分析其独特的电荷传输和离子扩散通道。 先进电解质体系： 离子液体： 介绍离子液体的特性（高热稳定性、宽电化学窗口、不易燃）及其在提升器件安全性和工作电压方面的优势。 固态电解质： 重点关注聚合物电解质、氧化物陶瓷电解质和硫化物玻璃陶瓷电解质。分析固态电解质在实现全固态电池和高安全储能器件方面的挑战与机遇。 水系电解质优化： 探讨如何通过添加剂、改变溶剂组成等方法，改善水系电解质的电化学窗口和离子导电性，以实现更高能量密度的水系储能器件。 新型储能器件设计与集成： 微型储能器件： 探讨在微电子设备、可穿戴设备等领域应用的微型超级电容器、微型电池等的设计与制造技术。 柔性与可拉伸储能器件： 介绍如何利用柔性基底和弹性材料，构建可弯曲、可拉伸的储能器件，满足未来柔性电子学的需求。 集成化与智能化： 探讨将储能单元与其他功能模块（如传感器、无线通信模块）集成，以及利用智能控制算法优化储能器件的充放电行为，实现更高效、更可靠的能量管理。 第三部分：电化学储能技术的挑战与未来展望 本部分将对当前电化学储能技术面临的主要挑战进行剖析，并展望未来的发展方向。 能量密度与功率密度瓶颈： 分析如何通过材料创新、器件结构优化等手段，进一步提升储能器件的能量密度和功率密度，满足日益增长的能量需求。 循环寿命与稳定性： 探讨材料老化、界面衰变等导致器件循环寿命缩短的根本原因，并提出相应的改进策略。 成本与可持续性： 讨论如何降低储能材料的制备成本，提高生产效率，并关注环境友好型材料的开发和回收利用，实现可持续发展。 安全性能： 深入分析传统锂离子电池等存在的安全隐患，并重点介绍高安全性储能技术（如固态电解质、水系电解质）的发展。 新兴应用领域： 展望电化学储能技术在电动汽车、智能电网、便携式电子设备、物联网、医疗健康等领域的广阔应用前景，以及其对社会发展的重要推动作用。 本书旨在为研究人员、工程师和学生提供一个全面、深入的电化学能量存储知识体系，激发对新型材料和器件的创新性思考，共同推动该领域的持续进步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，无疑为我打开了一扇通往未知领域的大门。我一直对前沿的科学技术充满好奇，而超级电容器，尤其是以二氧化锰为代表的新型材料，更是吸引了我的目光。我非常期待书中能够详细阐述二氧化锰在超级电容器领域的技术进展。例如，近年来在二氧化锰材料的制备、改性以及器件设计方面，是否涌现出了一系列具有突破性的研究成果？书中是否会介绍一些新型的二氧化锰纳米结构，如纳米线、纳米片、纳米花等，以及它们在提升超级电容器性能方面的优势？此外，我非常好奇书中是否会探讨如何通过与其他材料（如碳材料、导电聚合物、金属氧化物等）的复合，来进一步优化二氧化锰基超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命？这些复合材料的设计思路和性能提升机制，对我来说将是极具价值的信息。我希望书中能够提供最新、最权威的研究进展，让我能够及时了解该领域的最新动态，并为我的学习和研究提供宝贵的参考。

评分☆☆☆☆☆

这部书的出现，简直是为我这样对能量存储技术一直抱有好感，但又苦于缺乏系统性知识的读者量身打造的。我一直对超级电容器的潜力深信不疑，尤其是它在便携式电子设备、电动汽车以及智能电网等领域的应用前景，总让我心潮澎湃。然而，市面上真正能够深入浅出地讲解这类专业书籍并不多见，很多要么过于晦涩难懂，要么过于浅尝辄止，难以满足我求知的渴望。这次有幸接触到《二氧化锰基超级电容器：原理及技术应用》，我怀揣着极大的期待，希望它能像一位经验丰富的导师，一步步引领我走进这个迷人的领域。我特别看重书中对于“原理”部分的阐述，因为我深知，只有透彻理解了二氧化锰在超级电容器中作为电极材料的核心机制，例如其法拉第赝电容和双电层电容的协同作用，电荷存储的微观过程，以及影响其性能的关键因素（如形貌、结晶度、导电性等），才能更好地理解和评估相关的技术应用。我期待书中能够详细解析不同制备方法对二氧化锰材料微观结构和宏观性能的影响，比如溶胶-凝胶法、水热法、电化学沉积法等，并对其优缺点进行比较分析。同时，我也希望作者能够以生动形象的语言，结合丰富的图示和实验数据，将复杂的理论知识转化为易于理解的概念，让我能够真正掌握二氧化锰基超级电容器的精髓，为日后的进一步学习打下坚实的基础。这本书的出版，对我而言，无疑是一次重要的学习机会，我迫不及待地想开始我的探索之旅。

评分☆☆☆☆☆

我一直对具有突破性潜力的科学研究领域充满热情，而超级电容器无疑是其中一个让我着迷的方向。特别是《二氧化锰基超级电容器：原理及技术应用》这本书，它将目光聚焦于一个具体的、具有广泛应用前景的材料体系，这让我看到了深入探索的可能性。我非常期待书中能够详细介绍二氧化锰作为超级电容器电极材料的科学原理。例如，它是如何实现电荷存储的？是仅仅依靠双电层电容，还是也包含法拉第赝电容？如果是后者，那么其赝电容的来源是什么？是氧化还原反应，还是离子嵌入/脱出？书中是否会深入探讨不同晶型、不同形貌的二氧化锰在电荷存储机制上的差异？例如，纳米结构是否能够提供更多的表面积和缺陷位点，从而增强赝电容效应？多孔结构是否能够为电解液离子提供更快的传输通道？我希望书中能够通过严谨的理论分析和详实的实验数据，来解释这些现象，让我能够深刻理解二氧化锰基超级电容器的工作机制。对于我来说，一次透彻的原理性理解，是后续深入研究和技术创新的基石。

评分☆☆☆☆☆

我一直对材料科学及其在能源存储领域的应用抱有浓厚的兴趣。这本书名《二氧化锰基超级电容器：原理及技术应用》立刻吸引了我，因为它精准地聚焦于一个非常有潜力的材料体系，并且同时涵盖了“原理”和“技术应用”两个关键方面。我非常期待书中能够详细阐述二氧化锰作为一种新兴的超级电容器电极材料，其核心的电荷存储机制究竟是什么。例如，除了传统的双电层电容之外，二氧化锰是否能够通过其独特的氧化还原活性，实现高效的法拉第赝电容？书中是否会深入探讨不同晶型（如α-MnO2, β-MnO2, γ-MnO2, δ-MnO2）以及不同形貌（如纳米线、纳米片、多孔结构等）的二氧化锰在电荷存储性能上的差异，以及这些差异背后的微观机理？我希望书中能够提供严谨的理论分析，结合详实的实验数据，来解释这些复杂的电化学过程，让我能够真正理解二氧化锰基超级电容器的工作原理，为我进一步的研究和应用打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，让我对超级电容器的研究方向产生了新的思考。我之前接触的超级电容器资料，大多侧重于理论原理的介绍，或者简单提及了几种主流电极材料的性能。而《二氧化锰基超级电容器：原理及技术应用》以一个具体的材料体系为切入点，深入挖掘其在“原理”和“技术应用”两个层面的内容，这本身就极具启发性。我猜想，书中必然会涉及大量的实验研究和技术创新。例如，在材料制备方面，是否会介绍一些新型的、高效的、低成本的二氧化锰制备方法？在器件设计方面，是否会探讨如何优化电解液、集流体、隔膜等关键组成部分，以最大限度地发挥二氧化锰电极材料的性能？在循环稳定性方面，二氧化锰材料是否会面临充放电过程中的结构衰减问题，书中又是如何解决的？我期待书中能够提供一些前沿的研究成果，展示出二氧化锰基超级电容器在提高能量密度、功率密度和循环寿命方面的最新进展。也许书中还会涉及一些交叉学科的知识，比如将二氧化锰与其他功能材料（如碳纳米管、石墨烯、金属氧化物等）进行复合，以获得协同效应。这些内容将极大地开阔我的研究视野，让我对超级电容器的未来发展方向有一个更清晰的认识，甚至能够激发我自己的研究灵感。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，一本优秀的科技书籍，不应该仅仅停留在理论的层面，更应该深入到实际的应用场景，为读者提供切实可行的解决方案。这本书名中的“技术应用”几个字，恰恰击中了我的这一期望。我非常期待书中能够详细介绍二氧化锰基超级电容器在不同领域的实际应用。例如，在新能源汽车领域，它是否能够作为辅助储能装置，与锂离子电池协同工作，提高整车的续航里程和充放电效率？在便携式电子设备领域，它是否能够实现超长续航和快速充电，彻底摆脱对传统电池的依赖？在智能电网和可再生能源领域，它又扮演着怎样的角色，如何帮助我们实现能源的有效利用和储存？我希望书中能够提供一些具体的案例分析，包括项目的背景、技术的优势、实施的难点以及最终的成果，甚至是一些成功商业化的产品。这些实际的应用案例，不仅能够让我直观地了解二氧化锰基超级电容器的价值，更能帮助我理解在实际应用中可能遇到的技术挑战和解决方案，为我未来的学习和工作提供重要的指导。

评分☆☆☆☆☆

我之所以对这本书产生如此大的好奇心，很大程度上是源于我对“二氧化锰”这个材料本身的特殊之处。我知道，二氧化锰（MnO2）是一种非常常见的氧化物，在化学和材料科学领域有着广泛的应用，从催化剂到颜料，再到电池材料。然而，将其“基”于超级电容器，并且专门以此为主题展开论述，这本身就意味着其在这一特定领域的应用潜力和研究价值一定非同寻常。我非常渴望了解，与传统的活性炭、导电聚合物等超级电容器电极材料相比，二氧化锰到底有哪些独特的优势？它在电荷存储机制上是否有所创新？它的比电容、能量密度、功率密度等关键性能指标，是否能够达到或超越现有技术水平？我特别期待书中能够详细阐述二氧化锰在不同晶型（如α-MnO2, β-MnO2, γ-MnO2, δ-MnO2）下的电化学性能差异，以及其形貌（如纳米线、纳米片、纳米颗粒、多孔结构等）对其性能的影响。例如，纳米结构是否能显著提高其表面积和离子扩散速率，从而提升功率性能？多孔结构又能否为电解液离子提供更好的渗透通道，增加电荷存储位点？我希望书中能够通过大量的实验数据和理论分析，来支撑这些论点，让我能够真正理解二氧化锰作为超级电容器电极材料的独特魅力和科学依据。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计给我的第一印象是相当专业且具有科技感。我一直认为，一本好的科技书籍，不仅内容要有深度，其呈现形式同样重要。它应该能够迅速吸引读者的注意力，并在视觉上营造出一种严谨、前沿的氛围。我非常赞赏封面设计中可能运用的元素，比如象征能量流动或化学结构的抽象图形，以及精心挑选的色彩搭配，这些细节往往能够传递出书籍的核心主题和学术品质。对于我而言，一本能够让我产生“想要翻开阅读”的冲动，并且在拿起它时感受到知识的力量和科技的魅力，这样的书才算是一本成功的书。我非常期待书中在视觉呈现上也能够延续这种专业而又引人入胜的风格。例如，章节的划分是否清晰明了？是否使用了高质量的图片、图表和示意图来辅助说明复杂的概念？公式的排版是否整洁易读？文献的引用是否规范严谨？我深信，一个精心设计的书籍版式，能够极大地提升读者的阅读体验，帮助我们更有效地吸收和理解其中的知识。尤其是在研究性很强的领域，例如二氧化锰基超级电容器，清晰的结构和直观的图示对于理解其复杂的内部机制至关重要。我希望这本书不仅在内容上能够满足我的求知欲，在形式上也能给我带来一次愉快的阅读体验，让我在知识的海洋中航行得更加顺畅。

评分☆☆☆☆☆

我之所以对这本书产生了浓厚的兴趣，很大程度上是因为我对“技术应用”这部分内容有着特别的期盼。在我看来，再精深的理论，如果不能转化为实际的应用，其价值便会大打折扣。而超级电容器，特别是以二氧化锰为代表的材料，其发展至今，无疑已经展现出了巨大的应用潜力。我非常好奇书中是如何将二氧化锰基超级电容器在不同领域的应用娓娓道来的。比如，在便携式电子设备领域，它能否克服续航短板，实现快速充电和长效使用？在电动汽车领域，它是否能够作为辅助电源，提升能量回收效率，延长电池寿命，或者在未来成为主流的储能解决方案？在智能电网和可再生能源领域，它又扮演着怎样的角色，如何帮助我们实现能源的有效利用和储存？我期待书中不仅能罗列这些应用场景，更能深入剖析二氧化锰基超级电容器在这些特定应用中面临的技术挑战，例如能量密度、功率密度、循环稳定性、成本等，以及作者团队是如何通过材料设计、器件优化和系统集成等手段来克服这些挑战的。我尤其希望书中能够提供一些成功的案例分析，展示出二氧化锰基超级电容器在实际产品中的应用实例，甚至是一些尚未公开但极具潜力的前沿研究方向。能够看到理论与实践如此紧密结合的书籍，对我来说是莫大的鼓舞，这将极大地拓宽我的视野，让我对超级电容器的未来充满信心。

评分☆☆☆☆☆

我一直对科技类书籍的“实操性”有着很高的要求。理论再完美，终究需要落实到实际的生产和应用中。这本书名中的“技术应用”几个字，让我看到了它在这方面的潜力。我非常好奇书中会如何详细地阐述二氧化锰基超级电容器在不同领域的具体应用实例。例如，在可穿戴设备领域，是否已经有成熟的产品应用了这种技术，能够实现超长续航和快速充电，彻底摆脱对传统电池的依赖？在电动工具领域，它是否能够提供强大的瞬间功率输出，提升工具的性能？在新能源汽车领域，它是否能够作为辅助储能装置，与锂离子电池协同工作，提高整车的续航里程和充放电效率？我非常期待书中能够提供一些具体的案例分析，包括项目的背景、技术的优势、实施的难点以及最终的成果，甚至是一些成功商业化的产品。这些实际的应用案例，不仅能够让我直观地了解二氧化锰基超级电容器的价值，更能帮助我理解在实际应用中可能遇到的技术挑战和解决方案。我希望这本书能够像一本“操作手册”一样，为我提供宝贵的实践经验和参考，让我能够更好地把握这项技术未来的发展趋势。