高性能二氧化锰电极材料的合成及超级电容器件组装

发布时间：2017-08-23 20:09

  本文关键词：高性能二氧化锰电极材料的合成及超级电容器件组装

  更多相关文章： 锰氧化物 离子嵌入 超级电容器 无定型 回流沉淀法

【摘要】：超级电容器是一种新兴的储能元件,具有能量密度高、安全性高和操作方便的优点,被认为是补充锂离子电池市场空缺的潜在设备。超级电容器储能机理一般分为双电层电容和赝电容两类。相比双电层电容器,赝电容电容器具有更高的能量密度。在赝电容电极材料中,MnO2因其理论比电容高(～1370 F.g-1)、来源广泛、环境友好等优点,成为了最受欢迎的赝电容电容器材料之一。基于形貌和结构的MnO2可控合成已经有大量报导,但是如何提高M1102质量比电容和循环稳定性仍是一项重大的挑战。本论文以葡萄糖和高锰酸钾为原料,分别采用回流沉淀法和水热法,合成了无定型二氧化锰微纳米结构,通过控制合成条件和引入外来离子,有效提高了产物的超电容性能。所得产物组装为全固态超级电容器。首先,利用简单的回流加热方式,在水溶液中获得了尺寸在100 nm左右的无定型锰氧化物纳米颗粒。通过对不同加热时间下所得产物的性能进行对比,发现当回流时间为16 h时,产物具有最大的比表面和适合的孔径。对产物的电化学性能进行测试表明,当反应时间为16 h时,样品的质量比电容值最高为309 F-g-1。比表面积和含水量均是影响电容量的重要因素。对样品进行煅烧后,其含水量下降,电化学性能也随之下降。第二,通过KMnO4和葡萄糖合成了低K+离子含量的无定型MnO2,获得的产物由于层间间距比较大,有利于引入外来离子,从而具有良好的电化学性能。然而,随着K+离子含量的增加,电容性能却随之下降。通过在水热过程中引入Na+离子,合成了Na+离子嵌入MnO2。在合适的嵌入含量下,样品在1 A-g-1电流密度下其电容量为295 F-g-1。电容性能的提高归因于电极内Na+扩散系数和电导能力的提高。在材料合成基础上,将Na+离子嵌入MnO2材料涂覆在石墨纸上做电极,成功地制作出对称型超级电容器。该超级电容器在LiCl/PVA电解质中表现出良好的电化学性能,所组装的器件可点亮一盏LED灯。最后,利用Na+离子嵌入MnO2电极材料N1制作了全固态对称型超级电容器器件,并结合活性炭制作了全固态不对称型超级电容器器件。分别讨论了电解质、隔膜种类对电容器性能的影响。采用Na2MoO4/PVA为电解质的电容器具有较为理想的超电容行为。该不对称型电容器在5 mA·-cm-2电流密度下,面积比电容为232 mF·cm-2,能量密度可达到31.47 Wh-Kg-1。
【关键词】：锰氧化物 离子嵌入 超级电容器 无定型 回流沉淀法
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 前言11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 超级电容器材料11-18
• 1.2.1 碳基复合材料12
• 1.2.2 锰氧化物电极材料12-16
• 1.2.2.1 锰氧化物电极材料合成12-13
• 1.2.2.2 碳材料复合结构13-14
• 1.2.2.3 多金属氧化物复合结构14-16
• 1.2.3 其它过渡金属氧化物16-18
• 1.3 全固态超级电容器器件18-23
• 1.3.1 基于便携设备要求设计的超级电容器电极18-20
• 1.3.2 固态对称型超级电容器20-22
• 1.3.3 固态非对称型超级电容器22-23
• 1.4 研究内容23-25
• 第二章 实验所用药品材料和表征技术25-31
• 2.1 实验药品材料25-26
• 2.2 材料的物性检测26-27
• 2.2.1 扫描电镜26
• 2.2.2 透射电子显微镜26-27
• 2.2.3 X射线衍射27
• 2.2.4 X光电子能谱仪27
• 2.2.5 比表面和孔径分布测试27
• 2.3 电性能测试27-31
• 2.3.1 电极的制备27-28
• 2.3.2 循环伏安测试28-29
• 2.3.3 恒流充放电测试29
• 2.3.4 电化学交流阻抗测试29-31
• 第三章 回流沉淀法制备无定型锰氧化物电极材料31-42
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验方法和过程32
• 3.3 结果和讨论32-41
• 3.3.1 物相分析32-34
• 3.3.2 结构与形态分析34-35
• 3.3.3 XPS分析35-36
• 3.3.4 电性能测试36-40
• 3.3.5 煅烧温度的影响40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 嵌入离子对无定型MNO_2电极材料性能的影响42-60
• 4.1 引言42-43
• 4.2 实验的方法和过程43
• 4.2.1 MnO_2前驱体的制备43
• 4.2.2 阳离子的引入43
• 4.2.3 全固态超级电容器器件的组装43
• 4.3 结果和讨论43-59
• 4.3.1 样品的XRD分析43-45
• 4.3.2 样品的电化学性能分析45-48
• 4.3.3 材料的形态分析48-51
• 4.3.4 比表面和孔径分布分析51-52
• 4.3.5 XPS分析52-54
• 4.3.6 钠离子增强MnO_2电容性能的机理分析54-55
• 4.3.7 扩散系数55
• 4.3.8 阻抗分析55-56
• 4.3.9 Li~+离子嵌入效应研究56-57
• 4.3.10 循环寿命分析57
• 4.3.11 便携式全固态超级电容器的组装及性能测试57-59
• 4.4 小结59-60
• 第五章 全固态柔性超级电容器的研究60-70
• 5.1 引言60
• 5.2 实验方法60-62
• 5.2.1 电极的制备60
• 5.2.2 PVA基聚合物电解质凝胶的制备60-61
• 5.2.3 电容器隔膜的处理61-62
• 5.2.4 超级电容器件的组装62
• 5.2.5 超级电容器件的测试62
• 5.3 实验结果和讨论62-69
• 5.3.1 电解质对对称型超级电容器的影响62-64
• 5.3.2 隔膜对超级电容器的影响64-65
• 5.3.3 不对称型超级电容器的研究65-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 结论70-71
• 参考文献71-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录82

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 柳劲松;李涛;;石墨烯/氧化锌复合材料超级电容电化学性能研究[J];电站系统工程;2015年04期

，

本文编号：727043