基于氧化锰和炭材料的超级电容器研究

【摘要】：超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。与传统静电电容器相比,超级电容器具有更高的能量密度;与电池相比,具有更大的功率密度。超级电容器具有瞬间释放特大电流、充放电效率高、循环寿命长等特点。在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域具有重要和广阔的应用前景,在世界范围内引起了极大关注。超级电容器的研究,主要集中在高性能电极材料和电极的制备上。本文选定高比表面积导电炭黑、活性炭、廉价的氧化锰作为超级电容器的电极材料,结合多种电化学研究手段和材料研究测试方法,系统地研究了超级电容器的材料制备、电解液的选择、电极制备、电容特性及其影响因素、赝电容形成机理。主要研究内容和创新点如下: 1.首次提出用工业化的高比表面积导电炭黑作为超级电容器的电极材料。通过探索电极的制备工艺和电容器的组装工艺,利用循环伏安和恒流充放电等手段,研究了炭黑基超级电容器的电容特性。研究发现,高比表面积导电炭黑作超级电容器的电极材料,表现出良好的双电层电容行为,电极的可逆性良好,ESR值较小,具有优良的功率特性。炭黑电极的比容量在60～70F/g之间。首次提出采用超声混合技术制各不同比例的活性炭/炭黑复合电极材料。通过工艺优化,发现当活性炭/炭黑质量比为7:2时,制备的复合电极的比容量最大。当充放电电流为5mA时,复合电极在30wt%KOH和1mol/LNa_2SO_4电解液中的放电比容量分别为133.6F/g和110F/g。且放电比容量均随充放电电流的增大而减小。 2.通过液相共沉淀法制备MnO_2粉末电极材料。研究了不同热处理温度对MnO_2电容特性和循环寿命的影响。研究发现,低温处理得到的MnO_2,在1mol/L Na_2SO_4中性水溶液中,于-0.2～+0.8V(vs SCE)电位窗口范围内,具有典型的电容特性。首次提出以聚乙二醇为分散剂,控制洗涤和干燥工艺,制备了BET比表面积达160.7 m~2/g的无定型、水合纳米MnO_2。其粒径在10-30nm之间,材料的孔隙分布集中在1.15 nm之间。扫描速度为4 mV/s时,比容量高达203.4 F/g。采取机械混合和超声混合两种方法制备氧化锰电极,经