二氧化錳電極材料的制備及其超級電容器性能的研究.pdf

1、超級電容器作為一類新型能源存儲器件，具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛的關(guān)注。二氧化錳(MnO2)因具有儲量豐富、價(jià)格低廉、理論比電容量高（達(dá)到1370 F g-1）以及電位窗口寬等特點(diǎn)，是一種重要的超級電容器電極材料。然而，由于二氧化錳電極材料自身導(dǎo)電性差，從而限制了高電容性能二氧化錳基超級電容器的發(fā)展。本文以納米結(jié)構(gòu)的二氧化錳和高導(dǎo)電性材料復(fù)合來提高二氧化錳基超級電容器電化學(xué)性能作為研究內(nèi)容。利用電化學(xué)沉積

2、技術(shù)，成功制備了納米結(jié)構(gòu)的二氧化錳電極材料和三維MnO2/AgNW復(fù)合材料，并利用循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗等測試手段對所制備電極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。而且，將MnO2/AgNW復(fù)合材料組裝成柔性對稱型超級電容器器件，并對其組裝工藝和充放電性能進(jìn)行了優(yōu)化探索。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用串聯(lián)電阻計(jì)時(shí)電位法和恒流充放電過程中的二次生長技術(shù)，制備了一種具有水鈉礦和斜方錳礦結(jié)構(gòu)的三維牡丹花狀MnO2/FTO平板電極材料

3、，展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能，比電容量在電流密度為10Ag-1條件下能夠達(dá)到1260 F g-1，10000次恒流充放電循環(huán)后其電容保持率達(dá)到304％。不同于傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)電流法，利用串聯(lián)電阻計(jì)時(shí)電流法制備的MnO2電極材料在循環(huán)過程中能夠進(jìn)行二次生長，這種二次生長導(dǎo)致了MnO2晶體結(jié)構(gòu)變化，從而明顯的提高了其表面/近表面及體內(nèi)贗電容性能。利用交流阻抗、循環(huán)伏安和恒流程放電測試，以及第一性原理計(jì)算研究了其儲能機(jī)理，發(fā)現(xiàn)表面電容和體電容的貢獻(xiàn)與掃描

4、速率的有關(guān)，主要是通過對不同掃描速率下的總電容的劃分和氧化還原峰得以證明。這種特殊結(jié)構(gòu)的MnO2可用于微型超級電容器，同時(shí)其二次生長過程所展現(xiàn)的獨(dú)特自修復(fù)特性，特別適合應(yīng)用于免維修和長壽命的微型超級電容器領(lǐng)域。⑵以銀納米線層作為導(dǎo)電集流體，利用電化學(xué)沉積技術(shù)將MnO2直接生長在AgNW上，制備成三維MnO2/AgNW復(fù)合電極材料，并對其電化學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為了避免電沉積過程中的AgNW層的脫落問題，利用快速退火工藝將AgNW層在3

5、00℃條件下進(jìn)行焊接處理，促使相互交叉的AgNW之間形成焊接點(diǎn)，這能夠明顯的提高電極材料的導(dǎo)電性和循環(huán)壽命。在恒流充放電過程中，這種三維MnO2/AgNW復(fù)合電極材料的形貌由花狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉涓C狀，從而使比容量逐漸提高，從初始的423.5 F g-1增加到663.4 F g-1，7000次恒流充放電后其比電容提高到初始值的156.6％。⑶基于上述MnO2/AgNW復(fù)合材料所展現(xiàn)的優(yōu)異的電化學(xué)性能，將這種電極材料制備成柔性對稱性濾紙基M