高性能二氧化锰电极材料的合成及超级电容器件组装

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贋电容两类。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MnO2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16h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16h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·cm2，能量密度可达到31.47 Wh·Kg-1。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 超级电容器材料

1．2．1 碳基复合材料

1．2．2 锰氧化物电极材料

1．2．3 其它过渡金属氧化物

1．3 全固态超级电容器器件

1．3．1 基于便携设备要求设计的超级电容器电极

1．3．2 固态对称型超级电容器

1．3．3 固态非对称型超级电容器

1．4 研究内容

第二章 实验所用药品材料和表征技术

2．1 实验药品材料

2．2 材料的物性检测

2．2．1 扫描电镜

2．2．2 透射电子显微镜

2．2．3 X射线衍射

2．2．4 X光电子能谱仪

2．2．5 比表面和孔径分布测试

2．3 电性能测试

2．3．1 制备电极

2．3．2 循环伏安测试

2．3．3 恒流充放电测试

2．3．4 电化学交流阻抗测试

第三章 回流沉淀法制备无定型锰氧化物电极材料

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 结果和讨论

3．3．1 物相分析

3．3．2 结构与形态分析

3．3．3 XPS分析

3．3．4 电性能测试

3．3．5 煅烧温度的影响

3．4 本章小结

第四章 嵌入离子对无定型MnO2电极材料性能的影响

4．1 引言

4．2 实验的方法和过程

4．2．1 MnO2前驱体的制备

4．2．2 阳离子的引入

4．2．3 全固态超级电容器器件的组装

4．3 结果和讨论

4．3．1 样品的XRD分析

4．3．2 样品的电化学性能分析

4．3．3 材料的形态分析

4．3．4 比表面和孔径分布分析

4．3．5 XPS分析

4．3．6 钠离子增强MnO2电容性能的机理分析

4．3．7 扩散系数

4．3．8 阻抗分析

4．3．9 Li+离子嵌入效应研究

4．3．10 循环寿命分析

4．3．10 便携式全固态超级电容器的组装及性能测试

4．4 小结

第五章 全固态柔性超级电容器的研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 电极的制备

5．2．2 PVA基聚合物电解质凝胶的制备

5．2．3 电容器隔膜的处理

5．2．4 超级电容器件的组装

5．2．5 超级电容器件的测试

5．3 实验结果和讨论

5．3．1 电解质对对称型超级电容器的影响

5．3．2 隔膜对超级电容器的影响

5．3．3 不对称型超级电容器的研究

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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