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二氧化锰超级电容器电极材料的制备与性能研究

作　者: 张小平
导　师: 韩恩山
学　校: 河北工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 超级电容器 二氧化锰 溶胶-凝胶法 水系电解液 改性
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


超级电容器是一种介于二次电池和传统电容器之间的新型储能装置,与普通电池相比它具有更大的比功率和更长的循环使用寿命,与传统电容器相比它具有更大的比能量。它能满足如电动汽车启动、加速等高功率输出的需要,也能用于电路元件、小型电器和直流开关电源等,具有广阔的应用前景,近年来已成为研究的热点。该文以廉价二氧化锰作为超级电容器的电极材料,系统研究了不同制备方法及不同晶体结构的二氧化锰的电容性能。采用多种现代物理测试手段和电化学研究方法研究了材料制备、电容特性、影响因素、及电解质溶液的选取等问题。主要内容如下:（1）采用溶胶-凝胶法制备出二氧化锰电极材料,研究了反应条件对产物的影响,得出:当前躯体柠檬酸与醋酸锰的配比为0.4:1、pH=6、煅烧时间为10h时,产物含量最高,经X射线衍射分析产物为α-MnO2和γ-MnO2组成的混合晶相。通过扫描电镜（SEM）分析表明产物呈球形,平均粒径约为200nm。此种方法制备的二氧化锰具有良好的电容特性。利用循环伏安和恒流充放电等手段,详细考察了二氧化锰电极在几种中性电解液中的电容性能,结果表明:以NaCl溶液作为电解质,二氧化锰电极可获得良好的电容特性且电容量最大,可以达到118.6F/g;以K2SO4溶液为电解液比容量最小,只有20.4 F/g。并且研究了二氧化锰在不同浓度的KOH溶液中的电容性能,实验结果表明:在7mol/L KOH溶液中,能够表现出良好的超级电容特性,其比容量最大可以达到121.2F/g。（2）采用液相氧化-还原法制备了层状二氧化锰电极材料,实验考察了反应温度、碱用量等条件对产物的晶体结构的影响。经XRD分析在温度为25±3℃,n（OH-）:n(Mn2+)≧ 6时制备的产物为层状结构,经热重分析表明结构稳定。在7mol/LKOH溶液中进行循环伏安测试,电压范围为-200600mV时电容性能表现最好,当扫描速度为5mV/s时电容量可以达到286F/g。实验还研究了扫描速度对电极比容量的影响,结果表明增加扫速时比容量减少。经150次循环后电容量开始下降,但达到200次时电容量仍保持在200F/g以上,说明材料循环性能较好。（3）以溶胶-凝胶法制备的二氧化锰为基础,通过改性处理,得到了添加铝氧化物的二氧化锰复合材料。经XRD测试表明添加铝氧化物后的二氧化锰晶型并没有改变,只是在峰强度上有所变化。它们的循环伏安测试表明掺杂可以改进二氧化锰的电容特性,提高电容器的电化学性能。且当添加剂的添加量为1%时,复合材料的比容量最高。计算得出电容量由原来的121.2 F/g提高到165 F/g,经200次循环后电容量仍保持在92%以上。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章 文献综述  11-23
  §1-1 课题研究背景和意义  11-12
  §1-2 超级电容器简介  12-16
    1-2-1 超级电容器的特点  12
    1-2-2 超级电容器的用途  12-13
    1-2-3 超级电容器的构造及制备工艺  13-14
    1-2-4 电容器的工作原理  14-16
  §1-3 国内外研究现状及  16-21
    1-3-1 电极材料的研究现状  16-19
    1-3-2 电解质的研究现状  19-21
  §1-4 超级电容器的应用研究现状  21
  §1-5 本课题的主要工作  21-23
第二章 实验原理及测试方法  23-31
  §2-1 主要化学试剂及原材料  23-24
  §2-2 主要仪器设备  24
  §2-3 分析方法  24-30
    2-3-1 粉末X-射线衍射  24
    2-3-2 扫描电子显微镜  24
    2-3-3 热重分析  24
    2-3-4 循环伏安测试  24-27
    2-3-5 恒流充放电测试  27-29
    2-3-6 二氧化锰含量和氧化度的测定  29-30
  §2-4 本章小结  30-31
第三章 溶胶-凝胶法制备纳米二氧化锰超级电容器材料  31-42
  §3-1 纳米二氧化锰的制备  31
  §3-2 电极的制备  31-32
  §3-3 溶胶-凝胶法制备工艺条件的优化  32-33
    3-3-1 反应原料配比的影响  32
    3-3-2 反应 pH 值影响  32-33
    3-3-3 煅烧时间影响  33
  §3-4 结构表征及形貌分析  33-34
  §3-5 电化学性能测试  34-36
    3-5-1 循环伏安测试  34-35
    3-5-2 恒电流充放电测试  35-36
  §3-6 二氧化锰电极在不同电解液中的性能研究  36-41
    3-6-1 二氧化锰在电解液中的反应机理  36
    3-6-2 在中性电解液中的电容性能测试  36-38
    3-6-3 在碱性电解液中电容性能研究  38-40
    3-6-4 在酸性解液中的电容性能测试  40-41
  §3-7 本章小结  41-42
第四章 液相氧化-还原法制备层状二氧化锰  42-47
  §4-1 纳米二氧化锰的制备  42
  §4-2 电极的制备  42
  §4-3 制备条件的优化  42-44
    4-3-1 温度的影响  42-43
    4-3-2 碱用量的影响  43
    4-3-3 热性能测试  43-44
  §4-4 电化学性能测试  44-46
    4-4-1 循环伏安测试  44
    4-4-2 扫描速度对电容性能的影响  44-45
    4-4-3 循环特性  45-46
  §4-5 本章小结  46-47
第五章 二氧化锰的改性研究  47-52
  §5-1 材料的制备  47-48
    5-1-1 二氧化锰干凝胶的制备  47
    5-1-2 掺氧化铝二氧化锰的制备  47
    5-1-3 电极的制备  47-48
  §5-2 掺铝氧化物二氧化锰的XRD测试  48
  §5-3 掺入铝氧化物后电化学性能测试  48-51
    5-3-1 循环伏安测试  48-50
    5-3-2 充放电测试  50
    5-3-3 循环寿命分析  50-51
  §5-4 本章小结  51-52
第六章 结论与展望  52-54
参考文献  54-57
致谢  57-58
攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果  58

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 电容器
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