水热法与溶胶凝胶法制备锰酸锂及其电容性能研究

发布时间：2017-08-28 21:33

  本文关键词：水热法与溶胶凝胶法制备锰酸锂及其电容性能研究

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【摘要】：近些年,随着社会经济的发展,人口的增长,能源短缺与环境污染问题日趋严重。超级电容器以其功率密度高、能量密度大、循环寿命长、毒性小、低-甚至零-污染等优点被视为最有发展前景的交通运输车辆的动力能量来源,是一种介于电池与传统电容器之间的新型绿色储能器件。经研究证明,将纳米结构LiMn_2O_4用作超级电容器的电极材料,能够提高超级电容器的比容量,具有可观的研究前景。本论文以MnO_2和LiMn_2O_4纳米材料为研究对象,与活性炭组装成非对称超级电容器,并研究其在中性电解液中的电化学性能。以葡萄糖和高锰酸钾为原料,在不同反应温度(30 oC、60 oC和90 oC)条件下合成了不同形貌的无定型MnO_2,通过XRD和SEM对产物进行结构和形貌分析,并研究了其在Li2SO4中性电解液中的电化学性能。循环伏安测试结果表明在反应温度为30 oC条件下,制备的产物电化学性能最佳。与活性炭组装成非对称超级电容器后,在0~1.8 V电压范围和200 mA·g-1电流密度下,比电容最高可达33.8 F·g-1,甚至在600 mA·g-1电流密度下,比电容仍可保持在30.27 F·g-1。在200 mA·g-1电流密度下进行1000次充放电循环后其比电容下降了13.4%,表明AC//MnO_2电容器循环稳定性较差。以上述无定型MnO_2为原料,首次采用水热法利用无定型MnO_2分别在不同反应时间和不同锂含量条件下合成了LiMn_2O_4及其富锂化合物Li1.13Mn_2O_4,通过XRD和SEM对产物进行结构和形貌分析,并研究了其在Li2SO4中性电解液中的电化学性能。当n(Li)/n(Mn)为1:2时,将反应体系分别进行12 h、24 h和48 h水热反应,循环伏安测试结果表明在48 h反应条件下制备的产物电化学性能最好,与活性炭组装成混合超级电容器后,在0~1.8 V电压范围和200 mA·g-1电流密度下,比电容最高可达42.89 F·g-1,甚至在600 mA·g-1电流密度下,比电容仍可保持在38.31 F·g-1。在200 mA·g-1电流密度下进行1000次充放电循环后比电容下降了5.9%,表明AC//LiMn_2O_4电容器的电化学性能比AC//MnO_2好。当水热反应时间控制为48 h,把n(Li)/n(Mn)为调整为4:5时,可以得到Li1.13Mn_2O_4富锂产物,与活性炭组装成混合超级电容器后,在0~1.8 V电压范围和200 mA·g-1电流密度下,比电容最高可达40.94 F·g-1,经过1000次充放电循环后,比电容仅仅下降了0.8%,说明AC//Li1.13Mn_2O_4电容器比AC//LiMn_2O_4具有更稳定的循环性能。利用葡萄糖辅助溶胶-凝胶法在不同煅烧温度和不同葡萄糖含量条件下合成了八面体结构LiMn_2O_4,通过XRD和SEM对产物进行结构和形貌分析,并研究了其在Li2SO4中性电解液中的电化学性能。当n[C6H12O6]/n[Mn(Ac)2]为6:1时,煅烧温度分别为650 oC、750 oC和850 oC,循环伏安测试结果表明在750 oC煅烧条件下制备的产物电化学性能最佳。与活性炭组装成混合超级电容器后,在0~1.8 V电压范围和200 mA·g-1电流密度下,比电容最高可达44.03F·g-1,甚至在600 mA·g-1电流密度下,比电容仍可保持在40.91 F·g-1。在200 mA·g-1电流密度下进行1000次充放电循环后比电容下降了4.7%。当煅烧温度控制为750 oC,把[C6H12O6]/n[Mn(Ac)2]分别减小为5:1和4:1,循环伏安测试结果结果表明在[C6H12O6]/n[Mn(Ac)2]为4:1条件下得到的产物电化学性能最差,与活性炭组装成混合超级电容器后,在0~1.8 V电压范围和200 mA·g-1电流密度下,最高比电容仅为40.85 F·g-1,经过1000次充放电循环后,比电容下降了7.7%。由此说明反应过程中葡萄糖用量对产物电化学性能具有重大影响,减少葡萄糖用量会使AC//LiMn_2O_4电容器的电化学性能变差。
【关键词】：混合超级电容器 尖晶石型LiMn_2O_4 水热法 葡萄糖辅助sol-gel法 比电容
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM53
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 超级电容器的简介10-14
• 1.1.1 超级电容器的研究背景与发展历史10-14
• 1.2 超级电容器电极材料的研究现状14-19
• 1.2.1 碳材料14-15
• 1.2.2 导电聚合物15-16
• 1.2.3 过渡金属氧化物16-19
• 1.3 尖晶石型LiMn_2O_4的晶体结构与储能机理19-21
• 1.3.1 尖晶石型LiMn_2O_4的晶体结构19
• 1.3.2 尖晶石型LiMn_2O_4的储能原理19-20
• 1.3.3 尖晶石LiMn_2O_4容量衰减的原因20
• 1.3.4 AC//LiMn_2O_4正负电极质量比的确定20-21
• 1.4 LiMn_2O_4的常见合成方法21-23
• 1.4.1 高温固相合成法21-22
• 1.4.2 溶胶-凝胶法22
• 1.4.3 水热合成法22-23
• 1.4.4 共沉淀法23
• 1.5 本论文的选题意义23-24
• 1.6 本论文的主要研究内容24-26
• 第2章 实验所用仪器药品及电化学测试26-31
• 2.1 实验药品及仪器设备26-27
• 2.1.1 实验药品26
• 2.1.2 实验仪器26-27
• 2.2 电化学测试原理27-31
• 2.2.1 循环伏安法(Cyclic Voltammetry)27-29
• 2.2.2 恒流充放电法(Galvanostatic C harge-Discharge)29-31
• 第3章 无定型MnO_2水热制备LiMn_2O_4及其电化学性能研究31-49
• 3.1 无定型氧化锰的制备与电化学性能研究31-37
• 3.1.1 实验部分31
• 3.1.2 材料表征31-32
• 3.1.3 结果与讨论32-37
• 3.2 水热法制备LiMn_2O_4及其电化学性能研究37-44
• 3.2.1 实验部分37
• 3.2.2 结果与讨论37-44
• 3.3 改变锂离子含量制备Li1.13Mn_2O_4及其电化学性能研究44-48
• 3.3.1 实验部分44
• 3.3.2 结果与讨论44-48
• 3.4 本章小结48
• 3.5 本章工作新颖之处48-49
• 第4章 葡萄糖辅助溶胶-凝胶法制备八面体LiMn_2O_4及其电化学性能研究49-62
• 4.1 煅烧温度对LiMn_2O_4形貌与电容性能的影响49-56
• 4.1.1 实验部分49-50
• 4.1.2 LiMn_2O_4材料的表征50
• 4.1.3 结果与讨论50-56
• 4.2 葡萄糖的加入量对LiMn_2O_4形貌与电容性能的影响56-61
• 4.2.1 实验部分56
• 4.2.2 结果与讨论56-61
• 4.3 本章小结61
• 4.4 本章新颖之处61-62
• 第5章 本论文总结62-65
• 5.1 本论文主要结论62-63
• 5.2 今后工作展望63-65
• 参考文献65-73
• 致谢73-76
• 在学期间的科研情况76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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3 刘丽英;张海燕;曹培健;陈列春;陈易明;;超级电容器用无定形MnO_2的制备及性能[J];广东化工;2008年06期

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 姚耀春;尖晶石LiMn_2O_4的制备及其电池制作技术与性能研究[D];昆明理工大学;2005年

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本文编号：749615