锰氧化物超级电容器电极材料的制备和性能

发布时间：2017-08-02 08:24

  本文关键词：锰氧化物超级电容器电极材料的制备和性能

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【摘要】：超级电容器也称电化学电容器是一种介于电池与传统静电电容器之间的新型储能器件,与电池相比,超级电容器具有更大的功率密度,且具有大电流充放电、短时间内完成充电、充放电效率高、循环寿命长的特点;与传统静电电容器相比,超级电容器具有更高的比电容量。超级电容器的研究对我国未来能源结构转型、新型能源的开发和利用有着深远的理论意义和现实意义。电极材料的性能是超极电容性能好坏至关重要的因素,本文主要以廉价的锰的氧化物作为超级电容器的电极材料,研究了用不同方法制备锰氧化物的形貌及电容特性。采用不同方法制备了四种锰氧化物电极材料:MnO2(a)、MnO2(b)、MnO2(c)和Mn3O4(d)。通过循环伏安法、交流阻抗法、恒电流充放电、循环性能测试等电化学测试方法和X-射线衍射、扫描电镜、透射电镜等物性表征,研究了所得材料的晶体结构、表面形貌和电容特性。经过系列的比较,得出最佳电极材料为采用MnCl2?4H2O/KMnO4液相沉淀法制备的锰氧化物MnO2(a)。研究发现用四种方法制备的锰氧化物其形貌有很大的不同,MnO2(a)为无数薄层的MnO2生长出的规则的200?300 nm的球状结构;MnO2(b)为较厚的MnO2片生长出的球状结构;MnO2(c)为粒径为5?8 nm的颗粒状结构;Mn3O4(d)是由直径5?10nm,长度200-500 nm的棒状晶体组成的2?m左右的球体。制备出的四种电极材料MnO2(a)、MnO2(b)、MnO2(c)和Mn3O4(d)的比电容分别为203.0、159.9、173.5和137.5 F?g-1,充放电效率分别为97.7%、89.8%、64.9%和63.7%。电荷传递电阻分别为0.76、1.42、1.05和1.75Ω。实验结果表明四种锰氧化物电极材料比较,MnO2(a)作为超级电容器的电极材料具有最好的可逆性和电容特性。MnO2(a)制备方法中反应浓度、反应温度、反应时间、反应物加入顺序、热处理温度、碳材料等最佳合成工艺条件为:KMnO4/MnCl2摩尔比2:3,反应浓度为0.3mol?L-1 MnCl2溶液和0.2mol?L-1 KMnO4溶液,反应温度60℃,反应时间6 h。反应物加入顺序为先加KMnO4溶液再加MnCl2溶液。最佳热处理温度为80℃,最佳碳材料为活性炭。
【关键词】：二氧化锰 四氧化三锰 超级电容器
【学位授予单位】：哈尔滨师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要11-12
• Abstract12-14
• 第1章 绪论14-29
• 1.1 超级电容器简介14-17
• 1.1.1 超级电容器的发展历史14-15
• 1.1.2 超级电容器的结构15
• 1.1.3 超级电容器的分类15
• 1.1.4 超级电容器特点15-16
• 1.1.5 超级电容器的用途16-17
• 1.2 超级电容器的工作原理17-20
• 1.2.1 双电层电容器工作原理17-18
• 1.2.2 法拉第赝电容器的工作原理18-20
• 1.2.3 双电层电容器与法拉第赝电容器之间的区别20
• 1.3 超级电容器的研究进展20-23
• 1.3.1 超级电容器中电极材料的研究进展20-22
• 1.3.2 电解质溶液的研究进展22-23
• 1.4 二氧化锰电极材料的研究现状23-27
• 1.4.1 二氧化锰的晶型结构与性能23-24
• 1.4.2 二氧化锰的制备方法24-25
• 1.4.3 二氧化锰电极材料在电解质溶液中的反应机理25-26
• 1.4.4 二氧化锰在超级电容器中的应用机理26-27
• 1.5 课题研究的背景和意义27
• 1.6 本论文研究内容27-29
• 第2章 实验原理及测试方法29-37
• 2.1 实验部分29-32
• 2.1.1 实验药品和仪器29-30
• 2.1.2 锰氧化物的制备工艺30-32
• 2.1.3 电极的制备工艺32
• 2.2 电极材料的物性表征32-33
• 2.2.1 X-射线衍射分析（XRD）32
• 2.2.2 扫描电镜分析（SEM）32
• 2.2.3 透射电镜分析（TEM）32-33
• 2.3 电极材料的电化学性能表征33-37
• 2.3.1 循环伏安法测试33-34
• 2.3.2 交流阻抗测试34-35
• 2.3.3 恒电流充放电测试35
• 2.3.4 循环性能测试35-37
• 第3章 不同方法制备锰氧化物电极材料的物性表征与电化学性能37-51
• 3.1 XRD测试37-38
• 3.2 SEM和TEM测试38-43
• 3.3 循环伏安法测试43-47
• 3.4 交流阻抗测试47-48
• 3.5 恒电流充放电测试48-49
• 3.6 循环性能测试49
• 3.7 本章小结49-51
• 第4章 液相沉淀法MnCl_2×4H_2O/KMnO_4制备的MnO_2电极材料性能优化51-59
• 4.1 不同反应浓度51-52
• 4.1.1 实验步骤51
• 4.1.2 样品的电容性质51-52
• 4.2 不同反应温度52-53
• 4.2.1 实验步骤52-53
• 4.2.2 样品的电容性质53
• 4.3 不同反应时间53-55
• 4.3.1 实验步骤53-54
• 4.3.2 样品的电容性质54-55
• 4.4 反应物加入顺序55-56
• 4.4.1 实验步骤55
• 4.4.2 样品的电容性质55-56
• 4.5 热处理温度56-57
• 4.5.1 实验步骤56
• 4.5.2 样品的电容性质56-57
• 4.6 不同碳材料57-58
• 4.6.1 活性炭57
• 4.6.2 纳米石墨57
• 4.6.3 聚苯胺与活性炭混合材料57-58
• 4.6.4 样品的电容性质58
• 4.7 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王晓峰,梁吉;碳纳米管超级电容器-锂离子电池复合电源在GSM移动通讯中的应用[J];电子器件;2004年04期

2 张宝宏,张娜;纳米MnO_2超级电容器的研究[J];物理化学学报;2003年03期

3 文建国,周震涛;MnO_2超级电容器材料在中性电解质中的电化学特性[J];中国锰业;2004年02期

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本文编号：608393