基于纳米碳材料和二氧化锰的超电容电极材料研究

发布时间：2018-03-01 14:23

  本文关键词： 电化学电容器 电极材料 多孔碳 二氧化锰　出处：《湖南大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：电化学电容器作为一种新型的储能器件,具有高的能量密度和功率密度、长时间的循环稳定性,环境友好等特点,已成功应用于各个领域。电极材料作为电化学电容器的关键组成部分,对其电容性能的影响非常重要。开发具有高比电容的电极材料,是提高电化学电容器功率特性的有效方法。本论文以制备价格低廉、高能量密度和功率密度的电化学电容器电极材料为目的,采用不同的合成方法,制备多孔碳、二氧化锰等电极材料,并通过多种材料表征技术和电化学分析方法考察他们的形貌、结构以及电化学电容行为。具体研究内容如下：(1)以类沸石金属有机骨架材料(ZIF-9)为前驱体,经高温碳化、酸刻蚀制备纳米多孔碳(NPCs)。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射技术(XRD)、比表面积和孔隙度分布仪对NPCs的微观形貌和晶体结构进行表征,并在1 M H2SO4电解液中,采用循环伏安、恒流充放电分析技术对其电化学电容性能进行研究。结果表明：NPCs的平均粒径为600 nm,比表面积为693 m2 g~(-1),孔道结构主要以介孔为主。NPCs电极不仅显示较高的比电容值,在2 A g~(-1)的电流密度下,电容值可达259.2 F g~(-1);而且具有优良的功率性能,当扫描速度从2 mV s~(-1)增至100 mV s~(-1)时,NPCs电极的电容量保持率为71.10%。此外,NPCs电极在电流密度为10 A g~(-1)的测试条件下,循环4000次后,其比电容值并没有明显的降低,显示出优良的长期循环稳定性。(2)MnO_2纳米管(MnO_2 NTs)与离子液体修饰的碳管(IL/CNTs)相结合,制备MnO_2 NTs-IL/CNTs复合物。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射技术(XRD)对MnO_2 NTs微观形貌和晶体结构进行表征,并在0.5 MNa2SO4电解液中,采用循环伏安法和恒流充放电法对MnO_2 NTs-IL/CNTs电化学电容性能进行研究。结果表明：MnO_2 NTs-IL/CNTs复合物电极与MnO_2 NTs相比,具有更高的电容值和良好的功率特性。当电流密度为1 Ag~(-1)时,电容值可达254.6F g~(-1):当扫描速度从2 mV s~(-1)增加到100 mV s~(-1)时,MnO_2 NTs-IL/CNTs与MnO_2 NTs电极的电容量保持率分别为65.38%和40.28%。再者,MnO_2 NTs-IL/CNTs电极具有良好的长时间充放电循环稳定性,在4 A g~(-1)的电流密度下,经2000次循环后,其容量保持率为94.40%,高于MnO_2 NTs电极。(3)提出一种新颖的固相研磨／低温煅烧的方法,以苹果酸为碳源,在二氧化锰纳米棒的表面包覆纳米级的无定形碳层,制备碳包覆二氧化锰纳米棒(MnO_2@C NRs)。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射技术(XRD)、比表面积和孔隙度分布仪对MnO_2@C NRs的形貌和晶体结构进行表征,并在0.5 MNa2 SO4电解液中,采用循环伏安法和恒流充放电法对其电化学电容性能进行研究。分析结果表明：碳层均匀的包覆在MnO_2 NRs表面,且厚度为3 nm；同时,碳包覆不会对MnO_2 NRs的晶型结构产生影响。MnO_2@C NRs电极不仅具有优良的电容性能,在2 A g~(-1)的电流密度下,其比电容值为246.6 F g~(-1)；而且具有优异的功率特性,当扫描速度从2mVs~(-1)增至100 mV s~(-1)时,MnO_2@CNRs和MnO_2 NRs电极的电容量保持率分别为69.13%和50.18%。另外,MnO_2@C NRs电极还具有优异的充放电循环稳定性,在电流密度为10Ag~(-1)的测试条件下,循环3000次后,其电容量的保持率高达97.6%,明显高于MnO_2 NRs电极的75.0%。
[Abstract]:Electrochemical capacitor is a new energy storage device with high power density and energy density, cycle stability of long time, environmental friendly features, has been successfully applied in various fields. The electrode material for electrochemical capacitors as a key part of the very important influence on the capacitance performance of electrode materials with high specific development. The capacitance of the device is an effective method to improve the power characteristics of electrochemical capacitors. The preparation of low price, high energy density and power density of the electrode materials for electrochemical capacitors for the purpose of using different synthesis methods, the preparation of porous carbon, manganese dioxide electrode material, and their morphology was investigated by various characterization techniques and materials the electrochemical analysis method, structure and electrochemical capacitance behavior. The specific contents are as follows: (1) with zeolite like metal organic frameworks (ZIF-9) as the precursor, the high 娓╃⒊鍖，

本文编号：1552324