摘要：本研究聚焦于开发一种新型复合材料，用于超级电容器以替代新能源汽车锂电池。通过将聚乳酸掺杂五氧化二钒、二氧化锰、碳纳米管、二氧化钌和氧化镧形成气溶胶后煅烧，使聚乳酸分解得到目标材料。对该材料进行系统表征，并组装成超级电容器测试其性能。结果显示，此材料展现出卓越的

摘要

本研究聚焦于开发一种新型复合材料，用于超级电容器以替代新能源汽车锂电池。通过将聚乳酸掺杂五氧化二钒、二氧化锰、碳纳米管、二氧化钌和氧化镧形成气溶胶后煅烧，使聚乳酸分解得到目标材料。对该材料进行系统表征，并组装成超级电容器测试其性能。结果显示，此材料展现出卓越的耐高温和耐低温性能，显著降低了爆炸和燃烧风险，具备长寿命和快速充电的优势，尽管续航能力有待提升，但其综合性能表明在未来新能源汽车领域极具应用潜力。

超级电容器；复合材料；新能源汽车；锂电池替代

一、引言

随着全球对环境保护和可持续能源的重视，新能源汽车行业迅速发展。锂电池作为当前新能源汽车的主流电源，存在安全性隐患，如高温下易燃烧爆炸 ，且在极端温度环境中性能衰减明显。此外，其充电速度和使用寿命也限制了新能源汽车的进一步普及。

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，被视为替代锂电池的潜在技术之一。通过优化电极材料，可以提升超级电容器的能量密度，使其在新能源汽车领域具备竞争力。本研究旨在探索一种新型复合材料用于超级电容器电极，期望克服锂电池的上述缺点，推动新能源汽车技术的发展。

二、实验材料与方法

2.1 材料制备

- 原料准备：采购纯度均在99%以上的五氧化二钒（V_2O_5）、二氧化锰（MnO_2）、碳纳米管（CNTs）、二氧化钌（RuO_2）和氧化镧（La_2O_3）粉末，以及聚乳酸（PLA）作为掺杂剂和造孔剂。

- 气溶胶制备：将上述金属氧化物和碳纳米管按一定比例（V_2O_5：MnO_2：CNTs：RuO_2：La_2O_3 = 3:4:2:0.5:0.5，质量比）加入到含有适量聚乳酸的有机溶剂中，使用超声分散设备分散3小时，形成均匀的混合溶液。随后通过气溶胶发生器将混合溶液转化为气溶胶，气溶胶粒径控制在1 - 10μm之间。

- 煅烧处理：将生成的气溶胶通入高温管式炉中，在惰性气体（氩气）保护下，以5℃/min的升温速率从室温升至600℃，并在此温度下煅烧3小时，使聚乳酸完全分解，得到掺杂后的复合材料。

2.2 材料表征

- 微观结构分析：采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察复合材料的表面形貌和微观结构。使用透射电子显微镜（TEM）进一步分析材料的内部结构，特别是碳纳米管与其他组分的相互作用以及金属氧化物的分布情况。

- 晶体结构测定：通过X射线衍射仪（XRD）对材料的晶体结构进行表征，确定各组分的晶相结构以及掺杂后是否形成新的化合物相。

- 比表面积和孔径分析：利用氮气吸附 - 脱附等温线，采用Brunauer - Emmett - Teller（BET）方法测定材料的比表面积，通过Barrett - Joyner - Halenda（BJH）方法计算孔径分布。

2.3 超级电容器组装与性能测试

- 电极制备：将制备好的复合材料与导电剂（乙炔黑）、粘结剂（聚偏氟乙烯，PVDF）按8:1:1的质量比混合，加入适量的N - 甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂，搅拌均匀形成浆料。将浆料均匀涂覆在泡沫镍集流体上，在60℃真空烘箱中干燥12小时，然后冲压成直径为14mm的圆形电极片，电极片的负载质量约为2 - 3mg/cm²。

- 超级电容器组装：采用两电极体系，以制备的电极片为正负极，以6M的氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，使用聚丙烯（PP）微孔膜作为隔膜，在手套箱中组装成扣式超级电容器。

- 电化学性能测试：使用电化学工作站进行测试。通过循环伏安（CV）测试，在不同扫描速率（5 - 200mV/s）下评估电极的电容行为和氧化还原反应特性。利用恒电流充放电（GCD）测试，在不同电流密度（0.5 - 10A/g）下测量电极的比电容、充放电效率和循环稳定性。采用电化学阻抗谱（EIS）分析电极的电荷转移电阻和离子扩散特性，测试频率范围为10mHz - 100kHz。

- 高低温性能测试：将组装好的超级电容器分别置于高温箱（80℃）和低温箱（-40℃）中，保持12小时后，在相应温度下进行电化学性能测试，对比室温下的性能数据，评估其耐高温和耐低温性能。

- 安全性评估：通过加速量热仪（ARC）测试材料在受热情况下的反应热和自热速率，评估其热稳定性和潜在的爆炸、燃烧风险。同时进行过充、短路等滥用测试，观察超级电容器的安全性能。

三、实验结果与讨论

3.1 材料表征结果

- 微观结构：FE - SEM图像显示，复合材料呈现出多孔的三维网络结构，碳纳米管相互交织形成骨架，金属氧化物颗粒均匀分布在碳纳米管表面及孔隙中。TEM图像进一步证实了这一结构，并且观察到碳纳米管与金属氧化物之间存在良好的界面结合，这种结构有利于电子传输和离子扩散。

- 晶体结构：XRD图谱表明，复合材料中存在V_2O_5、MnO_2、RuO_2和La_2O_3的特征衍射峰，未发现明显的新相生成，说明在煅烧过程中各组分之间未发生化学反应，但氧化镧的掺杂可能导致其他金属氧化物晶格发生一定程度的畸变，这有利于提高材料的电化学活性。

- 比表面积和孔径分布：BET测试结果显示，复合材料的比表面积高达350m²/g，孔径分布主要集中在2 - 50nm的介孔范围内。大的比表面积和合适的孔径分布为电解质离子的吸附和扩散提供了有利条件，有助于提高超级电容器的电容性能。

3.2 电化学性能测试结果

- 循环伏安特性：在不同扫描速率下，CV曲线呈现出近似矩形的形状，表明电极具有良好的双电层电容特性。同时，在特定电位范围内观察到一些微弱的氧化还原峰，这归因于V_2O_5、MnO_2和RuO_2的氧化还原反应，进一步增加了电极的电容。随着扫描速率的增加，CV曲线的面积略有减小，但整体形状保持稳定，说明该电极材料具有较好的倍率性能。

- 恒电流充放电性能：在不同电流密度下，GCD曲线呈现出近似对称的三角形，表明电极的充放电过程具有良好的可逆性。根据GCD曲线计算得到的比电容在电流密度为0.5A/g时达到350F/g，随着电流密度增加到10A/g，比电容仍保持在200F/g以上，展现出较好的倍率性能。

- 循环稳定性：经过5000次充放电循环后，超级电容器的比电容保持率仍高达90%以上，表明该复合材料具有优异的循环稳定性，这主要得益于其稳定的微观结构和良好的电极材料性能。

- 电化学阻抗谱：EIS图谱显示，在高频区，电极的电荷转移电阻较小，表明电极材料具有良好的导电性；在低频区，曲线呈现出接近垂直的直线，说明离子在电极材料中的扩散性能较好。

3.3 高低温性能测试结果

- 高温性能：在80℃高温环境下，超级电容器的比电容相比室温仅下降了10%左右，且充放电效率和循环稳定性仍能维持在较高水平。这是由于复合材料中的碳纳米管和金属氧化物具有较好的热稳定性，能够在高温下保持结构稳定，从而保证了电化学性能的稳定。

- 低温性能：在-40℃低温环境中，比电容下降约20%，但仍能保持一定的电容值，且可以正常进行充放电循环。这表明该材料在低温下具有较好的适应性，可能是由于其多孔结构和良好的离子传输通道，有利于电解质离子在低温下的扩散。

3.4 安全性评估结果

- 热稳定性：ARC测试结果显示，该复合材料的起始放热温度较高，反应热较低，自热速率缓慢，表明其热稳定性良好，在受热情况下不易发生剧烈的放热反应，降低了爆炸和燃烧的风险。

- 滥用测试：在过充和短路测试中，超级电容器未出现起火、爆炸等危险现象，仅表现出一定程度的性能下降，且在停止滥用条件后，仍能恢复部分性能，显示出良好的安全性能。

四、结论

本研究成功制备了一种聚乳酸掺杂五氧化二钒、二氧化锰、碳纳米管、二氧化钌和氧化镧的复合材料，并将其应用于超级电容器电极。材料表征和电化学性能测试结果表明，该复合材料具有独特的微观结构、高比表面积和良好的晶体结构，赋予了超级电容器优异的综合性能。在耐高温和耐低温性能方面表现出色，能够在极端温度环境下保持相对稳定的电化学性能。同时，显著降低了爆炸和燃烧风险，具备长寿命和快速充电的优点。然而，该超级电容器的能量密度目前仍低于锂电池，导致续航能力较差，这是未来需要重点改进的方向。未来研究将聚焦于进一步优化材料组成和结构，以提高能量密度，使其在新能源汽车领域能够真正替代锂电池，推动新能源汽车行业的可持续发展。

来源：小萱科技圈