碳基-MnO2納米復(fù)合材料的制備及超級電容器性能研究.pdf

1、現(xiàn)代社會的高速發(fā)展所帶來的全球性能源危機(jī)，使人們越來越意識到能源的有效利用的重要性，能量儲存作為一種有效利用能源的方式，已經(jīng)成為現(xiàn)階段科學(xué)界研究的重要課題之一。超級電容器作為新一代儲能元件，以其高倍率充放電性能，高功率密度，長久的循環(huán)壽命而被廣泛關(guān)注，在信息，交通，電子等領(lǐng)域具有很大的潛能和應(yīng)用價(jià)值。超級電容器的性能主要依賴于電極材料的活性及動力學(xué)特性。金屬氧化物具有較高的理論比容量和良好的可逆性，而被認(rèn)為是最具潛力的超級電容器電極材料

2、。在眾多金屬氧化物電極材料中，MnO2因其理論比容量高、價(jià)格低廉和環(huán)境友好而被廣泛關(guān)注。MnO2電極材料的團(tuán)聚性而引起的的內(nèi)部材料不能和電解液有效接觸，因而導(dǎo)致了二氧化錳電極材料較差的電化學(xué)性能。
　　本文采用不同碳材料為基底，合成了不同結(jié)構(gòu)與形貌的碳-MnO2納米復(fù)合材料，并將其用做超級電容器電極材料。旨在提高M(jìn)nO2在充放電過程中的的利用率和復(fù)合材料的導(dǎo)電性。通過 X射線衍射儀（XRD）、聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB/SE

3、M）、透射電子顯微鏡（TEM）及比表面積測試儀（BET）對樣品進(jìn)行了晶體結(jié)構(gòu)、形貌特征和比表面積及孔結(jié)構(gòu)的分析。采用循環(huán)伏安法，恒電流充放電法和交流阻抗法對所得的復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　通過調(diào)節(jié)不同濃度的高錳酸鉀和碳球的反應(yīng)，可以得到不同結(jié)構(gòu)和形貌的碳球-MnO2含量的復(fù)合材料。其形貌為超薄MnO2納米片負(fù)載于碳材料的表面形成核殼、空心或半空心結(jié)構(gòu)。并研究了核殼、半空心或空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的電化學(xué)

4、性能。結(jié)果表明，半空心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料擁有最高的電化學(xué)性能。其電化學(xué)容量可達(dá)273 F g-1，同時具有良好的倍率性能，以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)1000次剩余85.9％）。
　　通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，控制高錳酸鉀和介孔碳的反應(yīng)程度得到了一系列介孔碳-MnO2復(fù)合材料，復(fù)合材料保留了介孔碳的介孔性能。從而獲得較大的比表面積，電化學(xué)性能顯示復(fù)合材料具有良好的倍率性能，當(dāng)循環(huán)1000次以后其電化學(xué)性能上升22.8%。
　　通過常

5、溫水浴法將活化后的多孔碳作為基底和高錳酸鉀反應(yīng)得到的活化多孔碳-MnO2的復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)所得MnO2納米片均勻負(fù)載于活化多孔碳表面，復(fù)合材料具有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性。電化學(xué)性能顯示復(fù)合材料的比容量可以達(dá)到297.8 F g-1。當(dāng)電流密度從0.2 A g-1增加到20 A g-1時，其電化學(xué)容量仍可以保留50.3%。當(dāng)組裝成非對稱電容器時，其能量密度可以達(dá)到18.4 Wh kg-1。顯示其良好的應(yīng)用前景。
　　通過模板法合

6、成的納米碳管，控制模板去除的先后順序，與高錳酸鉀反應(yīng)得到了MnO2負(fù)載于碳管內(nèi)外兩種復(fù)合材料，復(fù)合納米管材料具有超薄的管壁。電化學(xué)性能顯示，MnO2負(fù)載于納米碳管外表面的材料具有較高的電化學(xué)容量（362 F g-1）良好的的倍率性能（當(dāng)電流密度從0.5 A g-1增加到20 A g-1時，保留容量41.7%）。當(dāng)組裝成非對稱超級電容器時，其能量密度在功率密度為224.9 W kg-1時可以達(dá)到22.56 Wh kg-1，顯示其良好的應(yīng)用