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金属氧化物/活性炭非对称超级电容器的制备与电化学研究

余菁菁  
【摘要】:在能源领域,电化学电容器作为一种新型的储能系统已经成为国内外的研究热点之一。金属氧化物的法拉第电容远远大于碳材料的双电层电容。其中,过渡金属氧化物五氧化二钒(V_2O_5)和二氧化锰(MnO_2)资源丰富、价廉、容易制备,因此我们选择V_2O_5和MnO_2作为电极材料对金属氧化物/活性炭(AC)不对称超级电容器进行研究。 本文采用X-射线多晶粉末衍射(XRD)、热重--差热分析法(TG-DTG)、扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(FTIR)对制得的金属氧化物样品的物理化学性能进行了表征,并通过循环伏安分析法(CV)、交流阻抗法(EIS)、恒流充放电测试(GC)对以所制得的金属氧化物为电极材料装配的电容器的电化学性能进行了测试。本论文的研究内容分为三个部分。 第一部分:为了增大V_2O_5材料的离子电导率,我们将V_2O_5颗粒“纳米化”:通过溶胶-凝胶(sol–gel)法和模板法相结合,采用相转化的方式,制备了疏松多孔的V_2O_5纳米材料。分别研究了以1.0mol/L LiPF6/(EC+DEC+DMC)和2mol/L NaCl、KCl、LiCl以及1mol/L KCl为电解液制备的V_2O_5/AC电化学电容器的循环性能和充放电特性。结果表明2mol/L KCl为电解质时,V_2O_5电容性能最佳,在5mV/s扫速下V_2O_5/AC电容器的比电容达到184F/g。而且一定范围内KCl浓度越大,电容器的比电容越高。 第二部分:为了增大V_2O_5的电子电导率,我们对V_2O_5材料进行了掺杂,掺杂元素为锰。通过实验分别研究了不同掺锰量的V_2O_5在2mol/L KCl电解液中的循环性能和充放电特性。在10mV/s扫速下,掺杂摩尔量为10%时,比电容达到233F/g;掺杂量摩尔为15%时,电容器的比电容反而减小,此时比电容为210F/g。 第三部分:通过化学沉淀法制备出球形MnO_2,分别研究了它在含单价态阳离子和多价态阳离子电解液中的电化学性能。测试得出MnO_2/AC电化学电容器在不同电解液:0.1mol/L Al(NO_3)_3、Mg(NO_3)_2、Ca (NO_3)_2、Ba(NO_3)_2和0.2mol/LNaNO_3中比电容分别达到37、301、290、240、154F/g。结果证明:与含单价态阳离子的电解液相比,MnO_2电极在含多价态阳离子的电解液中电化学性能更优越。 研究结果表明:V_2O_5和MnO_2的法拉第电容较大,在中性电解液中能表现出良好的电化学性能。


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