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《大连理工大学》 2011年
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纳米二氧化锰的制备、改性及其电化学性质

刘不厌  
【摘要】:超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,具有高功率输出、高充放电效率、长循环寿命等特点,在移动通讯、电动汽车等方面具有广阔的应用前景,也可以作为电子元器件,小型设备和直流转换电源。超级电容器因其广泛应用前景,成了研究热点。根据储能原理,超级电容器分为两种类型:双电层电容和法拉第赝电容。电极材料主要分为碳材料,金属氧化物和导电聚合物材料。超级电容器的研究重点主要集中在制备高性能电极材料。近几年,价廉易得、储量丰富的二氧化锰,因其在温和电解液中具有优良的电容行为和环境友好,已经使它成为最有前途的超级电容器电极材料之一。 本论文探讨了二氧化锰电极材料的制备、化学改性与电化学性能关系。实验采用高锰酸钾与醋酸锰为原料在室温下固相合成纳米二氧化锰,经过热处理和酸处理,获得纳米α-MnO2。采用X衍射技术(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了二氧化锰的结晶结构及表面形态;通过循环伏安法,恒流充放电和交流阻抗测试研究了样品的电化学行为。研究不同电解液对纳米α-MnO2电极材料的电性能影响,通过实验确定最优电解液;对纳米α-MnO2进行改性,掺杂Cr,研究MnO2-Cr复合电极材料的电性能,通过实验确定添加剂的最佳配方。结果如下: 样品纳米α-MnO2颗粒尺寸为3~5nm。在1.0 mol/L Na2SO4电解液中,-0.1~0.8V(vs.SCE)范围,电流密度为300mA/g,3mV/s的扫描速度下放电比电容可达222.73F/g,经1000次循环后,容量保持85%以上,有着较好的循环性能和电容稳定性。在不同电解液中进行循环伏安测试和恒流充放电测试,结果如下:在不同浓度(NH4)2SO4溶液中得到1.5mol/L(NH4)2SO4溶液放电比电容最大,196.77F/g;在中性电解液KCINaCI、Na2SO4和K2SO4中得到1.0 mol/L Na2SO4溶液中有最高的放电比容量,220.86F/g;1.0mol/L K2SO4溶液中放电比容量最低,3.92F/g;在不同浓度KOH溶液中得到7.0 mol/LKOH溶液中放电比容量最大,达185.06F/g。 对纳米α-MnO2按不同摩尔比掺杂Cr进行改性。XRD测试显示掺杂Cr没有改变纳米α-MnO2晶体结构,只是衍射峰宽化,复合颗粒仍为纳米材料。掺Cr能改善复合颗粒的分散性和导电性。与其它掺杂Cr摩尔量相比,当掺杂Cr量为1%时,电化学性能最好,放电比容量最大,高达318.27F/g,比纯二氧化锰高40%。经过1000次循环后,比容量保持率为80%,有较好的循环寿命。
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