锰氧化物超级电容器电极材料的研究

【摘要】超级电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型绿色储能元件。因具有充放电效率高、瞬间释放大电流、维护成本低等优点，具有非常广泛的应用领域。尤其在电动汽车，移动通讯，电子设备，航空航天等领域具有巨大的应用前景，引起世界范围内的极大关注。但超级电容器能量密度相对较低，应用具有一定的局限性，限制了取代电池的进程。因此如何保证高功率密度的基础上提高电容器的能量密度已经成为科学界的一大挑战。超级电容器性能的提高主要是制备出高性能的电极材料。过渡族金属氧化物RuO2，MnOx，NiO，Co3O4，Fe3O4，VOx等，因其相对于碳基材料和导电聚合物材料来说，具有较高的理论比容量和高的能量密度等优势而成为电化学电容器最有潜力的电极材料。其中由于MnOx具有资源广泛、价格低廉、具有多种氧化态、电化学窗口较宽、环境友善等优点倍受人们的关注，是发展超级电容器最理想的电极材料。但锰氧化物自身导电性较差，很难通过提高锰氧化物电极活性物质的质量提高电极的储能性能，限制了作为超级电容器电极材料的发展。因此如何提高锰氧化物的导电性是科研工作者面临的科技难题。目前通过与高导电的碳材料（碳纳米管，石墨烯等）复合组成复合电极取得了一定的成功，但合成方法复杂，不利于实际的生产和应用。本文通过一种工艺简单，成本低廉的化学方法，以高导电的碳材料为基底生长MnOx，研究其作为超级电容器电极材料的性能。利用扫描电子显微镜（SEM），傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），X-射线衍射仪（XRD），X射线光电子能谱仪（XPS）表征手段对样品的结构与形貌进行分析。运用恒流充放电，循环伏安电化学分析方法研究其作为电容器电极材料的电化学性能。本论文中，第一部分采用水浴法在具有三维网状结构的碳纤维纸（CFP）基底上沉积锰氧化物。结果表明沉积的锰氧化物是不定形态的Mn4+和Mn3+同时存在的水合锰氧化物，表示为a-MnOx·nH2O。其中MnOx以纳米线的形式在碳纤维表面生长，并有少量团聚成纳米球。碳纤维纸的三维网状结构和MnOx纳米线生长形式非常有利于电解液的浸入和润湿。电化学性能测试表明沉积质量为0.25mgMnOx活性物质的MnOx/CFP复合电极在电流密度为0.5A/g时比电容达到了271.5F/g，在15A/g大电流密度下充放电循环1000次，电容值保持初始比电容的95.8%。而沉积1.04mgMnOx活性物质的MnOx/CFP复合电极在电流密度为0.5A/g时比电容也达到了203.6F/g。说明以CFP为基底制得的MnOx/CFP复合电极具有良好的电化学性能，改善了MnOx活性物质的导电性，可以通过提高MnOx活性物质质量增加电极的储能性能。电极退火后比电容下降明显，但稳定性增加，400℃退火的MnOx/CFP复合电极在6A/g电流密度充放电1000次比电容是初始比电容的131.4%。第二部分采用同样的方法在碳毡（CF）和碳布（CC）基底上生长MnOx电极活性物质。结果发现制得的MnOx与碳纤维纸相同，且都具有良好的电容特性。其中MnOx/CF复合电极在0.5A/g电流密度下比电容有240.4F/g，在10A/g电流密度下充放电1000次比电容为初始值的82.9%。而MnOx/CC复合电极在0.5A/g电流密度下比电容达到了249.7F/g，在15A/g电流密度下充放电1000次比电容保持初始比电容的94.1%。通过对比不同碳材料作为基底制备的复合电极，得出以碳纤维纸为基底生长MnOx具有更加优异的电化学性能。但碳毡和碳布价格便宜，仍具有一定的研究和应用价值。此外本论文在电极制备过程中没有使用任何的粘结剂和导电剂。而且合成工艺简单，成本低廉，有利于实际的生产和应用。
【作者】杨永超；
【导师】郑伟涛；
【作者基本信息】吉林大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】超级电容器；赝电容；锰氧化物；碳材料；纳米线；电化学性能；

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