超级电容器用过渡贱金属氧化物/碳复合电极材料研究

摘要

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型高功率储能器件,相比电池,具有更大的功率密度值；相比传统静电电容器,具有更高的能量密度；同时具有瞬间释放特大电流特性,充放电效率高、循环寿命长等优点。对超级电容器的研究,主要集中在电极材料方面。本文采用原位复合法分别制备了二氧化锰/活性炭和二氧化锰/乙炔碳黑两种电极材料,研究了材料制备,结构和性能,以及影响电容器性能的因素、赝电容形成机理。主要研究内容和创新点归纳如下： 1.首次提出采用原位复合法合成MnO2/碳作为超级电容器电极材料。通过研究材料电极制备过程中材料干燥温度、电极制备压力、导电石墨的含量、锰含量等工艺参数,初步探讨了MnO2/碳材料电极的电容形成机理。结果发现：该工艺制备的MnO2/碳复合材料可使MnO2颗粒有效包覆在碳基材料表面,有效结合碳基材料的高比表面积和MnO2的高赝电容。经过在1mol/L Na2SO4电解液中,在5mv/s的电位速率下测试,MnO2/活性炭混合电极材料比容量达到150.8F/g,MnO2/乙炔碳黑混合电极材料比容量达到142.3F/g。 2.在上述材料制备工艺的基础之上,对MnO2/碳复合材料进行物理掺杂,以进一步改善材料的电学性能。通过采用沉淀转化法合成掺杂物质,成功制备了掺杂Ni(OH)2和掺杂Co(OH)2的复合电极材料,并初步探讨了材料的改性机理。结果发现：掺杂一定量的Ni(OH)2后,电极材料的工作电位和比容量有所上升,但等效串联电阻(ESR)也有所增加。经对掺杂15wt％Ni(OH)2的混合电极进行电学性能测试,电极材料的有效工作电位拓宽到-0.4～1v,比容量最高达到了171.4F/g,ESR为6.87欧姆；同样发现,掺杂一定量Co(OH)2后,可以有效降低复合电极的ESR。经对掺杂9wt％的Co(OH)2复合电极进行电学测试,发现掺杂后电极材料的比容量为156.1F/g,而ESR为3.55欧姆。 3.对采用原位复合法制备的MnO2/碳复合电极材料,探索了各种适合二氧化锰/碳复合电极工作的电解质溶液。通过对比其在各种类型电解液中表现出来的电学性能及电解液浓度电极材料的影响。发现1mol/L Na2SO4溶液比较适合,复合材料电极在电解液中表现出良好电容特性,且充放电效率高。 文中的原位复合法、MnO2/碳复合材料等都是我们富有创新性的研究工作。虽然论文中对MnO2/碳改性机理、开发新的集流体、开发新的电解液等方面还有待进一步研究,但本文在电极物质的制备、测试、复合材料的改性等方面提供了一些有价值的方法,对于超级电容器的深入研究具有一定实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1超级电容器的基本原理及结构

1.1.1电化学电容器的基本原理

1.1.2超级电容器的结构

1.2超级电容器的特点

1.3电极材料的研究进展

1.3.1碳电极电化学电容器

1.3.2金属氧化物电极电化学电容器

1.4本文设想与研究目的

第二章电极材料性能测试原理与方法

2.1循环伏安特性曲线

2.2恒流充放电曲线

2.3交流阻抗谱

2.4本章小结

第三章原位复合法合成二氧化锰/碳电极材料的研究

3.1主要原材料及仪器设备

3.1.1主要化学试剂及原材料

3.1.2主要仪器设备

3.2实验原理及方法

3.2.1二氧化锰/碳粉体的制备

3.2.2电化学性能的测试

3.3二氧化锰/活性炭复合电极材料的研究

3.3.1 MnO2/AC复合电极的制备

3.3.2结构表征及形貌分析

3.3.3 MnO2/AC复合电极材料的循环伏安测试结果与分析

3.3.4 MnO2/AC复合电极材料的恒流充放电测试结果与分析

3.3.5 MnO2/AC复合电极材料的电化学阻抗谱

3.3.6工艺条件对材料性能的影响：

3.3.7 MnO2/AC复合电极材料中锰含量的影响

3.4二氧化锰/乙炔碳黑复合电极材料的研究

3.4.1 MnO2/CB复合电极的制备

3.4.2结构表征及形貌分析

3.4.3 MnO2/CB复合电极材料的循环伏安测试结果与分析

3.4.4 MrO2/CB复合电极材料的恒流充放电测试结果与分析

3.4.5 MnO2/CB复合电极材料的电化学阻抗谱

3.4.6 MnO2/CB复合电极材料中锰含量的影响

3.5本章小结

第四章掺杂二氧化锰/碳电极材料电容性能的研究

4.1掺镍复合电极材料的研究

4.1.1电极材料的制备

4.1.2掺杂复合材料的结构表征

4.1.3循环伏安测试结果与分析

4.1.4恒流充放电测试结果与分析

4.1.5电化学阻抗测试结果与分析

4.1.6掺杂含量对材料性能的影响

4.1.7热处理温度对材料性能的影响

4.2掺钴复合电极材料的研究

4.2.1电极材料的制备

4.2.2掺杂复合材料的结构表征

4.2.3循环伏安测试结果与分析

4.2.4恒流充放电测试结果与分析

4.2.5电化学阻抗测试结果与分析

4.2.6掺杂含量对材料性能的影响

4.2.7热处理温度对材料性能的影响

4.3本章小结

第五章电解液对二氧化锰/碳复合电极的影响

5.1二氧化锰初级还原过程

5.2二氧化锰次级还原过程

5.3二氧化锰在超级电容器中应用的机理

5.4不同电解液的影响

5.4.1碱性电解质

5.4.2中性电解质溶液

5.4.3稳定性研究

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1全文工作总结

6.2对今后工作的建议

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果