二氧化锰-碳复合材料的制备及其水系不对称超级电容器性能研究

发布时间：2020-03-30 06:52

【摘要】：近年来,随着化石燃料的枯竭及燃烧带来的污染等一系列问题,迫切需要清洁的新能源。超级电容器以高循环次数、快速的充放电速率和大的输出功率被广泛研究和应用。超级电容器主要的电极材料分为三种,碳基材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料,三种材料各具优势。所以如何利用两种或两种以上材料的优势性能组成不对称电容器势超级电容器热门的研究方向。本文主要针对二氧化锰(MnO2)与碳材料复合,利用共沉淀法和直接还原的方法,制备了二氧化锰/活性炭(MnO2/AC)复合材料,并与碳纳米管(CNTs)进行复合改性。通过对复合材料反应原理、反应时间、AC及CNTs掺杂比例调控、导电剂(Super P)及CNTs的比例等多方面的优化工作,制备出了性能优异的MnO2-AC-CNTs复合材料,并测试其电化学性能。然后以该材料作为正极,以CNTs改良后的AC作为负极组装水系不对称超级电容器。通过调控正负极容量比(质量比),对所得电容器的比容量、倍率特性及循环稳定性进行了探索研究:1.通过高锰酸钾(KMnO4)与四水合醋酸锰(Mn(CH3COO)2·4H2O)的反应制备α-MnO2,再用共沉淀的方法制备了AC-α-MnO2的复合材料。制得α-MnO2材料有着很高的比电容,在0.5M的水系中性的硫酸钾(K2SO4)电解液中可以实现266 F/g的比电容,是一种具有非常高比电容的赝电容材料;2.通过AC直接还原KMnO4的方法制得AC-α-MnO2复合材料,并进一步与CNTs进行复合改性。通过对反应时间的优化,掺杂比例的调控制备出了导电性能优异的MnO2-AC-CNTs复合材料。优化完成后的复合材料的EIS阻抗大幅降低,较未掺杂CNTs时的材料减小到五分之一,在0.2 A/g时的比电容为129 F/g,在6 A/g时的容量保持率达到78.6%,在2 mV/s扫速下的电容值为250 F/g;3.测试了MnO2-AC-CNTs作为正极与AC负极组装成的电容器的电化学性能。首先对正极负极浆料的导电剂进行CNTs取代优化,进一步提高了电极的倍率性能,在0.5M的K2SO4溶液中进行测试时,Mn02-AC-CNTs正极的倍率由未优化前的78.6%提高到95.2%,AC负极的倍率由70%提高到75%。用Swagelok模具组装出的不对称水系超级电容器的电容在0.2 A/g下为38 F/g,当电流密度增大到50 A/g时仍有72%的保持率,在4 A/g的电流密度下循环10000圈后,具有78%的容量保持率,显示出较好的循环稳定性。
【图文】：

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第一章绪论组合，一般有以下三种不同种类的超级电容器，一是两个电极都为双能的双电层电容器，一般是由两个碳基极片组成；二是法拉第赝电容具有赝电容的极片构成；第三种是可以充分利用两种材料不同储能和点的不对称超级电容器。三种电容器的原理示意图如下：逡逑．．．

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这个电化学过程高度可逆并具有电容特征，但又与界面双电层电容形成过程逡逑不同，不单单是简单的电荷转移，而是通过氧化还原反应，来实现电荷与能量的逡逑储存。如下图１．３所示，是两种不同储能机理的对比图，，图中选择Ｒｕ０２金属氧化逡逑物来举例。逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ逡逑（ａ）邋ｄ＆ｕＷｅ－Ｌａｙｅｒ邋ｃａＤａｃｉｔａｎｃｅ邋（ｂ）邋Ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｔｔａｎｃｅ逡逑Ｂ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ．逡逑＾逦Ｈｅｌｍｈｏｔａ邋名邋＿逡逑ｄ＇逦＾ｄｏｕｂｌｅ逦｜逡逑＿逦ｇ邋：｜逡逑＇邋＃邋－邋，逡逑丨￣｜－邋０．６邋ｔｏ邋１逦逦￣Ｈ－ｎｍ邋ｔｏ邋ｊｉｍ－ｔｎ：ｄ＜逡逑图１．３两种不同储能机理的过程图逡逑１．２．邋３超级电容器的特点逡逑超级电容器的优点有以下面几个方面：内阻小，所以其功率密度高，保证了逡逑电荷可以进行快速贮存和释放，从而得到较高的输出功率密度［１９］；充放电循环寿逡逑命久，因为电化学过程中只有简单的离子和电荷的传递，也就是仅为双电层电容，逡逑５逡逑
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】