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纳米MnO_2/C混合超级电容器的研究

朱修锋  
【摘要】: 超级电容器是一种介于电池和静电电容器之间的新型储能元件,其功率密度比电池高数十倍,能够满足电动汽车启动、加速等高功率输出的需要。它也能用作电路元件、小型用电器、直流开关电源等用途,具有广阔的应用前景,近年来已成为研究的热点。国外超级电容器的研究已非常深入,相应产品已经在电动汽车上得到了成功应用;而我国仅近几年才掀起了超级电容器的研究热潮,目前尚未有实用化的超级电容器制备技术和产品出现。由于超级电容器适合超大功率放电,其电极过程与化学电源有较大差别,开展超级电容器电极材料、电解液等基础领域的研究具有很大的理论意义和现实意义。同时由于超级电容器具有广阔的应用前景,对其制备技术、性能优化等相关技术的研究对于尽早实现产业化有非常大的现实意义,可促进我国电动汽车事业的迅速发展。我们采用了循环伏安、恒电流充放电、X射线衍射、透射电子显微镜等实验方法和测试手段对超级电容器的电极物质、电解质溶液、制备组装技术等问题展开了一系列研究,得到一些非常有意义的结果。 本文通过考察活性炭电极在碱性电解液中的电极行为,指出活性炭电极在碱性溶液中正极性能较差是影响碳基超级电容器性能的重要因素,增大正极活性物质的载量能够使电容性能得到一定程度的改善,同时发现活性炭电极在硫酸铵和硝酸铵等中性电解液中具有优越的电极性能,但存在金属集流体的腐蚀问题。首次利用高锰酸钾和氯化锰之间的低热固相氧化还原反应成功地合成出了纳米二氧化锰晶须,为合成同类物质提供了一种行之有效的参考方法。通过研究二氧化锰电极在中性电解液中的超级电容特性,发现在2.0mol/L的(NH_4)_2S0_4溶液中,在0.0~0.90V(vs SCE)的电位范围内能表现出良好的电容性能,其单电极比容量高达304.5F/g,具有很大的应用前景。本论文中我们提出了将电池 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的正极与电容器的负极结合成混合超级电容器的构想,并成功实现了二 氧化锰正极和活性炭负极的组合,构成的锰碳混合超级电容器双电极比 容量可达到95.7F/g,比活性炭超级电容器提高了2一3倍,单体工作电压 可以高达1.5V,从而使能量密度提高到碳基超级电容器的十倍。通过对 超级电容器电极制备技术和组装技术的优化,采用二氧化锰和活性炭作 电极材料成功的组装了电压为1.5V容量为300OF的锰碳混合超级电容器 样品,其性能接近国外同类产品,它将有广阔的应用前景。 文中的低热固相合成、纳米二氧化锰晶须、中性电解液、锰碳混合 超级电容器等都是我们富有创新性的研究工作,得到了一些有意义的结 果。虽然论文中如二氧化锰的改性、开发新的集流体、开发新的电解液 等方面还有待进一步研究,电容器的一些相关技术还有待进一步完善, 但本文在电极物质的制备、测试及电容器的组装等方面提供了一些有价 值的方法,对于超级电容器的深入研究具有一定实际意义。


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