金属化合物基超级电容器电极材料的制备和研究

发布时间：2020-04-13 21:33

【摘要】：金属化合物因其特殊的结构和广泛的来源,已经成为当下研究电极材料有力的候选者。本文研究了两个突出的金属化合物:二硫化钼和二氧化锰。基本试验方法是将二硫化钼、二氧化锰与生物碳、石墨烯、聚吡咯进行复合,制备出不同性能的功能电极材料。再改变复合物某一组分的量进一步研究组份的改变对电极材料的影响。研究内容主要分为以下三个方面:(1)制备了MoS_2/C粉末状电极材料。将生物质材料掺氮后用管式炉在高温下去杂处理,第二步在用水热法与MoS_2前驱物进行复合,得到二元复合物MoS_2/C。由于MoS_2具有类似石墨烯的二维结构,使得MoS_2成为了石墨烯有效的替代物。实验结果表明:生物质材料大大提高了MoS_2的电化学性能和电化学稳定性。同时在两种不同性质的电解质溶液(1M H_2SO_4和6M KOH)进行电化学测试,结果发现MoS_2/C电极材料在前者条件下的各项性能均优于在后者的性能。(2)水热法制备了三维结构复合凝胶MoS_2/PPy(polypyrrole,PPy)/rGO(Reduced graphene oxide,rGO)。先制备出MoS_2/PPy二元复合物,再将MoS_2/PPy和GO通过水热法得到三维结构凝胶。对MoS_2/PPy/rGO进行了压力测试和电化学性能测试。实验结果表明,三元复合凝胶的成型效果要远远优于纯rGO凝胶成型效果,而且三元复合凝胶质量密度为0.03g/cm~3,满足了凝胶质轻体积小的要求。同时电化学性能也十分突出:MoS_2/PPy/rGO复合凝胶在0.2V/s的扫描速率下比电容可以达到264F/g。(3)研究了二氧化锰与石墨烯共同负载在三聚氰胺海绵上做柔性电极材料。三聚氰胺海绵具有良好的压缩性,但并不具有导电性,内阻极大。将石墨烯和二氧化锰与之复合后赋予了三聚氰胺海绵电化学性能,得到了我们想要的电极材料。实验结果表明,二氧化锰-石墨烯-三聚氰胺海绵压缩性能优异,能在受压之后短时间内恢复形变,二氧化锰-石墨烯-三聚氰胺海绵的比电容值到达了也使用要求:在扫描速率为0.01V/s时,起始状态的比电容为140 F/g,压缩率50%时比电容为142 F/g。表明二氧化锰和石墨烯在三聚氰胺海绵上可以发挥出它的优异的电容性能。且前后两种状态的比电容基本一致,满足柔性超级电容器的性能。
【图文】：

电容器,伏打电堆,化学形式,莱顿瓶

图 1-1 各种电化学能源的 Ragone 图对比2.1 超级电容器的原理容器的发展迅速。从 18 世纪的莱顿瓶到亚历山德罗·伏特创造的伏打电堆，再到现在的各种电化学电容器，从无到精，只用了短短两百年的时间。简而言之，电容器是一个电场储能而不是用化学形式储能的元器件。电容器由两个极板和电介质构成。充电时，电容器在两个电极板之间施势差，这个电势差所具有的能量可以使正负电荷向极性相板移动，此时的电容器看成是一个连接在电路中的电压源放电的可行性。由公式可知C =QV

双电层电容器,工作原理,电解液,电容器

1双电层 2电解液 3电极 4 负载图 1-3 双电层电容器的构造及工作原理双电层电容器的构造分为电极材料、集流体、电解液和隔膜材料。电极浸泡在电解液中间，两个电极接触会发生短路现象，故而在中间插入隔膜以隔绝两个电极。对电容器进行充电时，本来是均匀分散在电解液里面的电负离子会在外加电的作用下运动，，形成正电极板负载负电子，负电极板负载正电子的平衡态，每个电极-电解液界面代表一个电容器，所以可以将整个系统看做是两个电容器串联，称之为双电层电容器。当电容器是对称性电容器时，可以知道：1C=1C++1C 公式（1-3）
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB33

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