基于MnO2和石墨烯电极的超级电容器特性研究

摘要

超级电容器是一种介于传统电容器与二次电池之间的新型储能器件，具有充电时间快、功率密度高等众多优点，但能量密度却有待提高。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，从电极材料入手，提高能量密度有两种途径，一是提高电极材料的比电容；二是将不同电位窗口的电极材料组装成非对称超级电容器，以提高器件的工作电压窗口。基于这两种方法，本文制备了δ-MnO2、还原氧化石墨烯、MnO2/石墨烯的复合物三种电极材料，利用X-射线衍射、扫描电子显微镜与拉曼测试对材料进行了形貌结构表征，并以1 M的Na2SO4溶液做电解液，对三种电极材料及组装的器件进行了循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等电化学测试。
　　本文的主要工作及创新点如下：
　　1.利用水热法制备二氧化锰材料，逐步深入探讨了水热法的时间，温度、原料配比、分散剂、pH等不同的实验条件对所得的MnO2材料的结构及电化学性能的影响。创新性地利用梯度的温度处理方法对所得MnO2材料进行优化，最终发现降梯度140-120-100℃的温度处理方法所得的无定型与微结晶状共存的δ-MnO2的电化学性能最为优异，最大比电容可达180.25 F/g；当电流密度升至13 A/g时，比电容仍有117 F/g；以50 mV/s的扫描速率循环1000圈后，比电容仍保留94％。
　　2.用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯，并研究了水合肼化学还原、热还原、水热还原三种不同的还原方式制得的石墨烯。发现水热还原氧化石墨烯性能最优，比电容最高可达128.81 F/g，在13 A/g的电流密度下比电容仍为94.25 F/g。在50 mV/s的扫速下循环1000圈，比电容仍保留99%。
　　3.通过一步水热法将MnO2与石墨烯进行复合，创新性地采用了过量的高锰酸钾，致使复合过程中存在插层复合与原位复合两种复合方式，形成MnO2/石墨烯/MnO2三明治结构，最高比电容可达193.38 F/g，50 mV/s的扫描速度下，循环1000圈后比电容仍保留98%。
　　4.选取性能最优的复合物做正极、还原氧化石墨烯做负极，组装成扣式非对称超级电容器进行电化学测试，发现在0.5 A/g的电流密度下，器件比电容为48.68 F/g，对应的能量密度为17.31 Wh/Kg，此时功率密度仍可达171.65 W/Kg。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1超级电容器研究背景及意义

1.2 超级电容器的结构、分类及储能原理

1.2.1 超级电容器的结构

1.2.2 超级电容器的性能参数

1.2.3 超级电容器的分类及原理

1.3 超级电容器的电极材料研究进展

1.3.1 石墨烯及其他碳材料

1.3.2 二氧化锰及其他（氢）氧化物

1.3.3 高分子导电聚合物材料

1.4 二氧化锰、石墨烯作为电极材料的选取

1.5 论文内容安排和主要创新点

第二章 实验及测试方法

2.1 实验流程及所用试剂

2.2 实验仪器

2.3 材料形貌、结构表征

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 X射线衍射

2.3.3 拉曼测试分析

2.4 超级电容器电极的制备及器件的组装

2.4.1 超级电容器电极的制备

2.4.2 扣式超级电容器的制备与组装

2.5 电化学性能测试

2.5.1 循环伏安与循环稳定性测试

2.5.2 恒流充放电测试

2.5.3 交流阻抗测试

第三章 二氧化锰与石墨烯的制备与表征

3.1 二氧化锰材料的制备方法

3.2 制备工艺条件对二氧化锰形貌结构及电化学性能的影响

3.2.1 水热时间、温度对二氧化锰形貌结构及电化学性能的影响

3.2.2 反应物配比对二氧化锰形貌结构及电化学性能的影响

3.2.3 分散剂对二氧化锰形貌结构及电化学性能的影响

3.2.4 pH对二氧化锰形貌结构及电化学性能的影响

3.2.5 反应物配比对二氧化锰形貌结构及电化学性能影响的优化研究

3.2.6 水热温度对二氧化锰形貌结构及电化学性能影响的优化研究

3.3 还原氧化石墨烯的制备及表征

3.4 本章小结

第四章 MnO2/石墨烯复合材料的制备、表征及器件性能分析

4.1.1 碳锰占比对复合物结构及电化学性能的影响

4.1.2 最优碳锰占比下仅原位生长的复合物性能对比分析

4.1.3 最优碳锰占比下水热温度的对比分析

4.2 MnO2/石墨烯复合物、石墨烯非对称超级电容器的电化学表征分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 工作及创新点总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果