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超级电容器用氧化钌基复合薄膜电极的制备与性能研究

作　者: 马贺然
导　师: 甘卫平
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 超级电容器掺杂氧化钌基复合电极比电容
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文围绕低成本高比容超级电容器电极材料的研究开发,分别采用三种不同的制备工艺研究了三种不同体系的复合薄膜电极,即电沉积工艺制备(RuO2/MnO2)·nH2O复合薄膜电极,涂覆热分解工艺制备了(RuO2/Co3O4)·nH20复合薄膜电极,胶体法制备(RuO2/AC)·nH2O复合薄膜电极,并对三种复合电极的制备方法及工艺参数进行优化。重点研究了不同掺杂体系、成分和热处理工艺对复合薄膜综合性能的影响。借助扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪和电化学工作站等仪器对上述三种复合薄膜电极的微观形貌、物相结构、以及物理和电化学性能进行了较为深入的研究。主要研究内容如下：(1)采用电沉积方法制备(RuO2/MnO2)·nH2O复合薄膜电极,当初始电沉积液中MnⅦ与Ru3+摩尔浓度比为3：1,热处理温度为250℃下保温2.5 h时具有良好附着力和比电容,分别为14.8MPa和418 F/g。不同扫描速率下的(RuO2/MnO2)·nH2O复合薄膜的循环伏安图表现出高度可逆的氧化和还原曲线,具有典型的电容特性,且其充电曲线与放电曲线基本对称,电压降比较小,1000次充放电循环后比电容保持在94.73%,表明该复合薄膜具有较低的内阻和稳定的电化学性能。(2)采用涂覆热分解法,以RuCl3·3H2O和Co(CH3COO)2·6H2O的异丙醇混合溶液为前驱体制备(RuO2/Co3O4)·nH2O复合薄膜电极,当Ru3+:Co2+摩尔比为1：3,复合薄膜经260℃热处理3h达到最佳的综合性能,比电容为569F/g,附着力为22.4MPa,比表面积为336.5m2/g。经充放电和交流阻抗谱测试表明该复合薄膜电极具有良好的电学性能,内阻仅为0.42Ω,1000次充放电循环后比电容保持在97.65%。(3)通过胶体法制备的含碳量为40wt%的(RuO2/AC)·nH2O复合电极兼具氧化钌电极高比容和活性炭电极高比表面积特性。其最佳热处理温度是240℃,热处理时间为4h,在此工艺下制得的复合电极比电容达445F/g,内阻为0.68Ω,比表面积为307m2/g,附着力为10.5MPa；恒电流充放电测试表明该复合电极具有典型的电容器特性,放电时间长达550s,1000次充放电循环后比电容保持在93.1%。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
第一章文献综述  9-30
  1.1 引言  9
  1.2 超级电容器简介  9-19
    1.2.1 发展历史  9-11
    1.2.2 分类和工作原理  11-14
    1.2.3 结构  14-15
    1.2.4 性能特点  15-16
    1.2.5 应用领域  16-19
  1.3 超级电容器用电极材料  19-22
    1.3.1 碳材料  19-20
    1.3.2 金属氧化物  20-22
    1.3.3 导电聚合物  22
  1.4 金属氧化物复合薄膜电极材料制备方法  22-27
    1.4.1 电沉积法  22-24
    1.4.2 涂覆热分解法  24
    1.4.3 胶体法  24-25
    1.4.4 溶胶-凝胶法  25-26
    1.4.5 化学气相沉积法  26-27
  1.5 基于RuO_2的复合电极材料的国内外研究现状  27-29
    1.5.1 RuO_2与贱金属氧化物复合电极材料的研究现状  27-28
    1.5.2 RuO_2与碳材料和导电聚合物复合电极材料的研究现状  28-29
  1.6 论文选题的意义和研究内容  29-30
    1.6.1 论文选题意义  29
    1.6.2 论文研究内容  29-30
第二章实验过程  30-39
  2.1 电沉积法制备(RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜电极实验过程  30-32
    2.1.1 实验原材料  30
    2.1.2 电沉积工艺参数  30-31
    2.1.3 电沉积装置  31
    2.1.4 电沉积制备(RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜  31-32
  2.2 热分解法制备(RuO_2/Co_3O_4)·nH_2O复合薄膜实验过程  32-33
    2.2.1 (RuO_2/Co3O_4)·nH_2O复合薄膜的制备  32-33
    2.2.2 实验所需主要原材料  33
    2.2.3 热分解法工艺参数  33
  2.3 胶体法制备(RuO_2/AC)·nH_2O复合电极实验过程  33-35
    2.3.1 (RuO_2/AC)·nH_2O复合电极的制备  34
    2.3.2 实验所需原材料  34
    2.3.3 胶体法工艺参数  34-35
  2.4 主要检测仪器设备  35-39
    2.4.1 X-射线衍射仪  35
    2.4.2 傅立叶变换红外光谱仪  35
    2.4.3 扫描电子显微镜  35-36
    2.4.4 比表面积分析仪  36
    2.4.5 万能电子拉伸试样机  36-37
    2.4.6 电化学工作站  37-39
第三章电沉积法制备(RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜工艺与性能研究  39-51
  3.1 (RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜电沉积工艺的优化  39-43
    3.1.1 电沉积法制备(RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜的影响因素  39-43
    3.1.2 电沉积溶液的配制及电沉积参数的确定  43
    3.1.3 复合薄膜的热处理  43
  3.2 不同Mn~(Ⅶ)与Ru~(3+)摩尔浓度比对复合薄膜性能的影响  43-46
    3.2.1 不同Mn~(Ⅶ)与Ru~(3+)摩尔浓度比对复合薄膜形貌影响  44-45
    3.2.2 不同Mn~(Ⅶ)与Ru~(3+)摩尔浓度比对复合薄膜比电容与附着力影响  45-46
  3.3 热处理工艺对(RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜结构与性能的影响  46-48
  3.4 (RuO_2/MnO_2)·nH_2O复合薄膜电化学性能分析  48-49
  3.5 本章小结  49-51
第四章热分解法制备(RuO_2/Co_3O_4)·nH_2O复合薄膜工艺与性能研究  51-59
  4.1 (RuO_2/Co_3O_4)·nH_2O复合薄膜的制备  51
    4.1.1 复合薄膜的制备  51
    4.1.2 复合薄膜的热处理  51
  4.2 不同Ru~(3+)与Co~(2+)摩尔浓度比对复合薄膜微观形貌与结构的影响  51-54
    4.2.1 (RuO_2/Co_3O_4)·nH_2O复合薄膜的微观形貌  52-53
    4.2.2 复合薄膜的物相和热分解机理分析  53-54
  4.3 不同Ru~(3+)与Co~(2+)摩尔浓度比对复合薄膜比电容和附着力的影响  54-56
  4.4 热处理工艺对复合薄膜电学性能与附着力的影响  56-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章胶体法制备(RuO_2/AC)·nH_2O复合电极材料工艺与性能研究  59-69
  5.1 (RuO_2/AC)·nH_2O复合电极材料的制备  59-62
    5.1.1 基体表面预处理的影响  59
    5.1.2 复合电极的制备  59-62
  5.2 (RuO_2/AC)·nH_2O复合电极材料的微观形貌与物相表征  62-65
    5.2.1 热处理温度对(RuO_2/AC)·nH_2O复合电极微观形貌的影响  62-64
    5.2.2 热处理温度对含碳量为40wt%的(RuO_2/AC)·nH_2O复合电极结构的影响  64-65
  5.3 (RuO_2/AC)·nH_2O复合电极材料的电化学性能  65-68
    5.3.1 循环伏安特性  65-66
    5.3.2 充放电性能  66-67
    5.3.3 交流阻抗性能  67-68
  5.4 本章小结  68-69
第六章结论与展望  69-72
  6.1 结论  69-70
  6.2 展望  70-72
参考文献  72-78
致谢  78-79
攻读硕士学位期间主要的研究成果  79

超级电容器用氧化钌基复合薄膜电极的制备与性能研究

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