论文部分内容阅读
超级电容器又称为电化学电容器（Electrochemical capacitor, EC），是一种介于电池和传统电容器的一种新型绿色储能装置，具有比传统电容器能量密度大，比充电电池功率密度高的优点。可广泛应用于电子产品领域，如充当电脑、计时器、记忆器等的后备电源；在大功率的场合下，与电池结合可用于电动车辆的驱动电源；用于电动玩具等的主电源等。近些年，随着经济的发展，石油的枯竭、环境污染等问题的日益加剧，开发具有高性能的新型储能装置的研究日益引起人们的关注，包括兼具有高功率密度、高能量密度和长循环寿命的超级电容器的研究。而寻找新的电极材料和发展新的合成方法以提高超级电容器的性价比是关键。锰氧化物具有高的比电容和多种氧化价态的优点，而且资源广泛、价格低廉、环境友好，是贵金属氧化物RuO2的最佳替代材料；不足之处是易溶解、比表面积较小、电子电导率和离子导电性低等。研究表明，开发新的电解质盐，以避免在溶液中形成酸性物种，可以有效减少锰氧化物的溶解；在锰氧化物中引入其他的金属氧化物或碳材料，可以提高基体材料的表面积和电导率；研究纳米结构的锰氧化物，提高活性物质利用率和导电性等。本论文分别采用常温液相化学共沉淀法和电化学沉积方法，将石墨烯和氢氧化镍加入到锰氧化物中，制备具有纳米结构的锰氧化物复合电极材料。利用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪分析确定复合材料的表面形貌、成分和微观结构，通过循环伏安、恒流充放电等实验测定材料的电化学电容性能。本论文中，第一部分主要涉及的内容是采用常温液相化学共沉淀方法合成Mn3O4/graphene platelets复合电极材料，并对材料进行表征。研究发现，复合材料由颗粒状的四氧化三锰和石墨烯纳米片构成，复合物没有出现过度堆垛和聚集的现象，而是附着在一起，均匀分布。这种结构有利于电化学过程中离子的扩散和电子的传输。复合材料具有优异的可逆性和电容性能，多次循环测试显示出良好的稳定性。本论文的第二部分采用电化学沉积方法制备了MnOx及MnOx/Ni（OH）2复合电极材料。结构形貌分析表明，MnOx呈现颗粒状，Ni（OH）2则形成高度的3D孔结构，并且附着于MnOx生长，即电沉积过程中，MnOx作为了模板，沉积出网状的Ni（OH）2纳米结构。这种纳米结构能够提供高的比表面积，有利于电解液的浸入和润湿。电化学测试显示复合物在电流密度为5A/g时，最大比电容可达2334F/g，比纯的MnOx（179F/g）和纯的Ni（OH）2（992F/g）的比电容都高。在高电流密度（20A/g）下，充放电循环500次，电极材料仍能保持原比电容的82.8%，而纯的Ni（OH）2只能保持46.6%。从以碳基材料为电极的双电层水溶液到有机溶液的超级电容器，以及贵金属氧化物的赝电容器，到开发正负电极具有不相同的材料及储能机理的混合超级电容器，MnOx作为电容器的正极材料研究具有十分重要的意义，尤其针对比电容的大小、循环稳定性和制作成本。本论文采用常规、易操作的制备技术，制备MnOx复合材料，电极具有高度孔隙度的3D纳米结构，而且电极制备过程中没有使用粘结剂，因此提高了电化学活性物质的导电性和利用率，降低了电极总质量，而且复合氧化物协同效应改善了赝电容材料的循环稳定性。这种简单的方法对于大规模制备混合超级电容器正极材料具有重要的潜在应用。