超级电容器电极材料二氧化锰的合成优化和性能的研究

摘要

超级电容器又被称为电化学电容器，是一种新兴的储能装置，被认为在航空航天、国防、军事、便携式通话设备、电动交通工具等方面有巨大的应用前景。超级电容器由三个部分组成，即集电极、极化电极和电解液，其中极化电极的性能优劣最为关键。用于极化电极的材料主要有三类，分别为碳素材料、金属氧化物和导电聚合物。目前已经对超级电容器有了很多的研究，研究的方向主要集中在对超级电容器性能影响较为显著的电极材料和电解质方面。本论文主要就是从这两方面着手进行研究的。超级电容器用电极材料的研究已经成为当下的热点，而其中过渡金属氧化物或氢氧化物由于其理论比电容值比碳材料高出很多，因此受到了广泛的关注。其中，由于二氧化锰作为电极材料时突出的优点，成为各国研究人员争相研究的对象。
　　本论文利用了十分廉价的高锰酸钾和氯化锰作为原材料，采用容易实现的液相共沉淀法成功合成了超级电容器极化电极用二氧化锰(MnO2)，并首次在合成过程中加入聚乙烯吡咯烷酮，研究了在合成过程中加入聚乙烯吡咯烷酮对合成材料结构和电化学性能的影响。研究的主要工作是围绕合成二氧化锰、表征二氧化锰的形貌、晶体结构、测试二氧化锰的电化学性能等方面展开的。采用X射线衍射仪、扫描电镜对材料的晶体结构、结晶度和表面形貌进行了表征，利用循环伏安、计时电位法和电化学阻抗谱等方法，对合成材料在质量分数为30％的KOH电解液中的电化学行为进行了全面的分析和研究。同时将合成材料置于250℃、350℃、400℃的不同温度下进行3小时的加热处理，对热处理后的材料性能进行了结构、形貌和电化学表征。同时还从电解液的角度研究了合成材料在不同电解液中的表现，分别在碱性(30％wt KOH)、中性(1mol/L Na2SO4)条件下，采用循环伏安法、计时电位法、电化学阻抗谱法分析研究了合成材料的电容性能，研究结果表明:
　　加入聚乙烯吡咯烷酮后，材料的颗粒度变小，分散度变大，电化学性能得到明显的提高。热处理对材料的性能有非常大的影响，当热处理温度为350℃时性能达到最优，并且热处理后材料的表面生成了絮状物，加大了材料的比表面积。在质量分数为30％的KOH电解液中，在-0.5～0.3V的电压窗口下，以0.5A/g的电流密度进行了恒电流计时分析测试，测得比电容达到437F/g。经过1000次的循环后，比容量仅损失了20％。材料在KOH溶液中的比容量是最高的，KOH的溶液内阻也是最小的。材料在Na2SO4电解液中，表现出很好的倍率特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超级电容器研究意义及应用前景

1．2 超级电容器的特点

1．3 超级电容器的结构及原理

1．3．1 电极材料

1．3．2 电解质

1．3．3 超级电容器的分类

1．4 超级电容器的应用前景

1．5 超级电容器用二氧化锰合成方法

1．5．1 二氧化锰结构

1．5．2 二氧化锰合成方法

1．6 本文的研究目的及主要内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 主要内容

第二章 实验部分与测试方法

2．1 实验药品与仪器

2．2 实验表征方法

2．2．1 形貌表征

2．2．2 结构表征

2．2．3 电化学表征

2．3 比电容的计算方法

2．4 电极的制作

第三章 用液相共沉淀法制备二氧化锰

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验用药品与仪器

3．2．2 合成样品

3．3 材料表征

3．3．1 形貌结构表征

3．3．2 电化学表征

3．4 实验结果分析与讨论

3．4．1 XRD表征

3．4．2 SEM表征

3．4．3 电化学表征

3．5 本章小结

第四章 二氧化锰的改性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验所用药品与仪器

4．2．2 样品处理

4．3 材料表征

4．3．1 形貌结构表征

4．3．2 电化学表征

4．4 实验结果分析与讨论

4．4．1 XRD表征

4．4．2 SEM表征

4．4．3 电化学表征

4．5 本章小结

第五章 材料在不同电解液中的电化学性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 材料表征

5．4 实验结果与分析

5．4．1 循环伏安分析

5．4．2 计时电位测试

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本论文所做的工作和主要结论

6．2 本论文的新颖之处

6．3 实验后续设想

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢