纳米MnO2炭黑电化学电容器电极材料研究.pdfVIP

摘 要 随着风能、太阳能等新能源的不断开发，电化学电容器作为一种重要的储能 器件在能量的转化与应用领域有着广阔的前景。电化学电容器循环寿命长，绿色 无污染，但能量密度低的缺点限制了其在更广泛领域的应用，因此着力提高电化 学电容器的能量密度成为众多科研工作者研究的重点。 本文主要从两个方面来研究提高电化学电容器的能量密度。 一方面是从提高电极材料的比容量入手。MnO2 作为金属氧化物电极比容量 较高，价格低廉，绿色友好，但其电导率低使活性物质的利用率较低，循环性能 较差。因此本文通过将电导率较高、表面积较大的炭黑作为载体，用简便的共沉 淀法在其表面沉积纳米MnO ，制得复合材料。HRTEM 测试结果表明，纳米线 2 状MnO2 均匀地分散在CB 表面，二者具有很好的连接性。电化学测试结果表明， 在2mV/s 的电化学扫描速率下，MnO /CB 复合材料的比容量为186F/g，10mV/s 2 下循环1000 次容量保持率为91% 。FESEM 观测 1000 次循环前后电极材料的变 化可以看出，MnO2 从复合材料表面脱落使材料的结构发生变化，形成了一些孔 隙结构并使接触阻力变大，后通过EIS 表征手段从动力学的角度分析了活性材料 循环前后发生的变化。 另一方面是从提高电化学电容器的工作电压入手。非对称电容器使用两种不 同的电极材料做两个电极，由于这两种材料在同一种电解液中发生可逆循环时对 应的电化学电势范围不同，故通过组合这两种电极材料可以有效地提高整个电容 器的工作电压。使用水系电解液时，其工作电压就可高于 1V，得到的电容器既 保留了水系电容器容量高的优点，又解决了对称电容器工作电压低的问题。因此 本文将制得的MnO /CB 复合材料和一种商用活性炭AC 组装成非对称电容器。 2 通过对两者的CV 曲线，确定出了两种材料分别的电化学窗口，后根据计算公式 算得了正负极质量匹配。在2/3 的质量匹配下，详细讨论了非对称电容器在不同 工作电压下的恒流充放电曲线。结果表明工作电压在2.0V 时依然能够保持较好 的氧化还原对称性，能量密度达到31.9Wh/kg 。1.9V 工作电压下，不同电流密度 下的恒流充放电曲线表明了其较好的电化学性能，通过比较其与两种电极材料对 称电容器的能量密度-功率密度曲线可以看出，非对称电容器的性能有了很大提 高，在功率密度为50W/kg 时，能量密度可以达到27.5Wh/kg 。 关键词： 电化学电容器 二氧化锰 炭黑 非对称电容器 活性炭 ABSTRACT With the development of new clean energy sources, electrochemical capacitors (ECs) as an important energy storage device have many potential application prospects. ECs are environmental friendly, and have nearly infinite long cycle life, but low energy density compared to batteries constrains its potential applications in many places, which has attracted many interests in improvements of the energy density among investigators. I intend to increase the energy density of ECs in two aspects. One of them targets on enhancing the specific capacitance of electrode material. MnO2 as a metal oxide material