复合Mn基氧化物超级电容器电极材料研究

发布时间：2018-06-18 17:55

本文选题：超级电容器 + LSM　；参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：全球经济的快速发展导致化石燃料的快速消耗和环境污染的增加。因此,高效、清洁和可持续发展的新能源以及相应的能量转换存储新技术成为目前全球范围内的研究热点。电化学超级电容器(ES)因为具有高功率密度和长循环寿命的优势而受到越来越多的关注。目前超级电容器面临的主要挑战包括低能量密度和高生产成本。关于超级电容器电极材料的研究主要集中在开发新型电极材料和开发复合电极材料两个方面。本论文主要以二氧化锰、钙钛矿型氧化物以及它们的复合物作为超级电容器电极材料,并对电极材料的物理化学特性、电化学性能以及相关的机理进行了深入研究。本文首先利用简单的水热法合成MnO_2并分析了其物相特征以及电化学性能;然后将MnO_2在100~700℃之间进行退火处理,并对不同退火温度处理的MnO_2电极进行研究,发现随着退火温度的增加MnO_2的物理化学特性以及电化学性能发生明显变化;当退火温度在100~300℃范围内时MnO_2的电化学性能得到大幅度提升。退火温度是影响MnO_2物理化学特性以及电化学性能的重要因素。钙钛矿型氧化物锰酸锶镧(LSM)具有良好的室温导电性和优异的电化学活性,然而将其作为超级电容器电极材料的研究鲜有报道。本文首先将(La0.75Sr0.25)0.95Mn O3-δ作为电极活性物质,主要研究LSM的赝电容特性以及循环稳定性,结果表明LSM是一种潜在的新型超级电容器电极材料。其次,利用溶胶-凝胶法合成不同Sr掺杂量的La1-xSrx Mn O3样品,随着Sr掺杂量的增加LSM电极的比电容呈现出逐渐增加的趋势;当Sr的掺杂量达到x=0.5时,LSM电极表现出最佳的电化学性能,比电容能达到134.7 F g-1。在MnO_2和LSM的研究基础上,为了进一步提高MnO_2的电化学性能,本文首次采用具有良好室温电子导电性的LSM复合MnO_2,制成LSM/MnO_2复合电极材料。首先将LSM与MnO_2进行机械混合,形成不同LSM含量的复合电极材料,并将LSM/MnO_2复合电极与单一LSM电极和MnO_2电极进行对比研究,结果表明LSM含量为10 wt%时复合电极表现出最佳的电化学性能,在2 m V s-1时比电容能达到287.8 F g-1,高于纯MnO_2(251.7 Fg-1)和LSM(108 F g-1)电极,而且经过1000次循环后比电容没有出现衰退,复合电极体现出了良好的循环性能。为研究LSM在复合电极中所起的作用,制备C/MnO_2复合电极作为对比电极。研究发现在大电流充放电时LSM/MnO_2复合电极的比电容高于C/MnO_2,电流密度越大电容增加效应越明显。LSM能提高MnO_2的倍率性能,尤其是在大电流放电时的倍率特性,比如在200 m V s-1时比电容的增加百分比能达到47.1%,而C/MnO_2复合电极则不存在这种效应。以上研究结果表明LSM在LSM/MnO_2复合电极中不仅可提高电极的电子电导率,从而提升复合电极的比电容,其固有的赝电容特性还可显著提升复合电极在大电流放电时的倍率性能。为了进一步研究LSM对经典MnO_2电极的改性机制,提高LSM/MnO_2复合电极的电化学性能,本文利用水热法一步完成LSM与MnO2的复合。研究表明,与机械混合相比,水热合成的LSM/MnO_2复合物具有更优异的电化学性能,比电容高达437.2 F g-1。水热法制备的LSM/MnO_2复合电极不仅具有更高的比电容,而且LSM还可极大地改善MnO_2电极大电流段的倍率特性:与纯MnO_2电极和纯LSM电极相比,LSM/MnO_2复合电极的容量增加百分比分别达到70.1%和416.3%,表明本文中研究的复合电极在高电流密度下更具有应用价值。LSM对MnO_2电极的改性机制研究表明,LSM/MnO2复合电极优异的电化学性能来自LSM良好的电子电导率(室温电导率高出MnO_2 5-6个数量级)、LSM与MnO_2各自的赝电容效应以及二者间强烈的协同效应。
[Abstract]:A new type of electrode material with high power density and long cycle life has been studied in this paper . The results show that LSM is a potential new electrode material with high power density and long cycle life . In order to further study the mechanism of LSM / MnO _ 2 composite electrode , LSM / MnO _ 2 composite electrode has better electrochemical performance than that of pure MnO _ 2 electrode , and LSM / MnO _ 2 composite electrode prepared by hydrothermal method has higher specific capacitance , and LSM / MnO _ 2 composite electrode has better electrochemical performance than pure LSM / MnO _ 2 composite electrode .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】