水系超级电容器用MnO2电极的制备及其电化学特性研究

论文摘要

MnO2用作超级电容器的电极材料，具有价格低廉、对环境友好、放电窗口宽、比容量大等显著优点，且MnO2电容器可采用中性电解质溶液，使得MnO2电容器的组装及使用更安全、方便。本文采用阳极电沉积制备块状MnO2，利用机械球磨法对其纳米化处理，将处理后的MnO2粉末制成超级电容器用电极。采用XRD、TG/DSC、粉末粒度测试仪、FE-SEM（场发射扫描电子显微镜）对MnO2粉末的形貌、粒径、结构等进行表征与分析；使用循环伏安、恒流充放电测试研究不同工艺制备所得MnO2电极在0.5mol/L Na2SO4溶液中的电化学特性。1、阳极电沉积块状MnO2进行280h（250r/min）的机械球磨，随球磨时间的增加，MnO2平均粒径先减小后增加，MnO2球磨10h后颗粒平均粒径最小（约200nm）。当球磨时间低于20h时，MnO2电极比电容随时间的延长先增加后减小；超过20h后，时间对电极比电容影响较小。球磨10h所得MnO2电极具有最高比电容（55F/g，25mA/g）；10000个循环充放电后，比电容衰减小于2%，充放电效率在98.5%左右。2、球磨10h后的MnO2粉末在200～560℃范围内热处理，当温度从室温升到450℃，MnO2由γ型逐渐向β型转变；温度升到560℃，MnO2转变为Mn2O3。MnO2电极比电容随着温度升高先增加后减小，300℃热处理后MnO2电极具有最高比电容（85F/g，25mA/g），相比于未热处理MnO2电极比电容提高了54.5%；10000个循环充放电后，比电容衰减小于3%，充放电效率在98.5%左右。3、通过在10h球磨、300℃热处理后的MnO2粉末中掺入不同含量活性炭，制备MnO2/AC复合电极，随着复合电极中AC含量的增加比电容先增加后减小，当复合电极中MnO2与AC质量比例为6:4时，电极具有最高比电容（1037F/g，25mA/g），相比于纯MnO2电极比电容提高了23%。4、以MnO2作正极，AC电极作负极，0.5mol/L的Na2SO4溶液作电解液组装成MnO2-Na2SO4-AC混合电容器。该电容器工作电压可达2.0V，在100mA/g下进行恒流充放电，其单体比电容可达10.2F/g，比能量为5.5Wh/Kg；20000个循环充放电后，该混合电容比电容衰减在10%左右，充放电效率在98%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器简介
• 1.1.1 超级电容的特点及工作原理
• 1.1.2 超级电容器的应用
• 1.2 超级电容器电极材料的研究现状
• 1.2.1 碳材料
• 1.2.2 导电聚合物
• 1.2.3 金属氧化物
• 2电极的制备方法'>1.3 MnO₂电极的制备方法
• 1.3.1 液相沉积法
• 1.3.2 凝胶-溶胶法
• 1.3.3 模板法
• 1.3.4 电化学沉积法
• 2电极材料性能的改进'>1.4 MnO₂电极材料性能的改进
• 1.5 机械球磨法制备纳米材料
• 1.5.1 机械球磨原理
• 1.5.2 球磨条件对粉末的影响
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 试验内容及方法
• 2.1 试验原料
• 2粉末制备'>2.2 MnO₂粉末制备
• 2粉末球磨工艺'>2.2.1 MnO₂粉末球磨工艺
• 2粉末热处理工艺'>2.2.2 MnO₂粉末热处理工艺
• 2.3 超级电容器的制备
• 2.3.1 电极的制备工艺
• 2/AC 复合电极的制备'>2.3.2 MnO₂/AC 复合电极的制备
• 2-Na2SO₄-AC 混合电容器的制备'>2.3.3 MnO₂-Na2SO₄-AC 混合电容器的制备
• 2.4 主要测试方法
• 2.4.1 物理性能的表征
• 2.4.2 电化学性能的表征
• 第3章 球磨时间对二氧化锰结构及其电极性能的影响
• 2晶体结构的影响'>3.1 球磨时间对 MnO₂晶体结构的影响
• 2电极性能的影响'>3.2 球磨时间对 MnO₂电极性能的影响
• 3.2.1 循环伏安测试分析
• 3.2.2 恒流充放电测试分析
• 3.2.3 稳定性及充放电效率
• 3.3 本章小结
• 第4章 热处理温度对二氧化锰结构及其电极性能的影响
• 4.1 TG/DSC 分析
• 2晶体结构的影响'>4.2 热处理温度对 MnO₂晶体结构的影响
• 2电极性能的影响'>4.3 热处理温度对 MnO₂电极性能的影响
• 4.3.1 循环伏安测试分析
• 4.3.2 恒流充放电测试分析
• 4.3.3 稳定性及充放电效率
• 4.4 本章小结
• 2/AC 复合电极及混合电容器性能的研究'>第5章 MnO₂/AC 复合电极及混合电容器性能的研究
• 5.0 电极截面组织结构分析
• 2/AC 复合电极性能的研究'>5.1 MnO₂/AC 复合电极性能的研究
• 2/AC 复合电极循环伏安特性的研究'>5.1.1 MnO₂/AC 复合电极循环伏安特性的研究
• 2/AC 复合电极恒流充放电的研究'>5.1.2 MnO₂/AC 复合电极恒流充放电的研究
• 2-Na2SO₄-AC 混合电容器性能的研究'>5.2 MnO₂-Na2SO₄-AC 混合电容器性能的研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢