论文部分内容阅读
锰酸钠具有原料丰富,价格便宜等特点,近来将其作为锂离子电池和钠离子电池的正极材料引起了科研工作者们广泛的关注。其中钠在地壳中的含量(2.83%)比锂在地壳中的含量(0.0065%)要高435倍,若采用钠离子化合物作为电极材料的能量储存系统被研究出来,将具有比锂离子电池更大的竞争优势。本文通过大量的文献调研,紧跟着该领域的国际前沿,采用固相法和溶胶凝胶法制备了隧道结构的Na4Mn9O18材料以及采用溶胶凝胶法制备了层状结构的Na0.7MnO2.05材料,探索反应条件,采用TGA、XRD、SEM等手段对材料进行结构和形貌表征,并分别考察这两种材料的电化学性能,再将其与活性炭组装成混合超级电容器,考察这两种材料在混合电容器中的应用性能,得出以下结论：1、采用固相法和溶胶凝胶法能够制备得到Na4Mn9O18材料。文中研究了煅烧温度对材料的结构、形貌和电化学性能的影响。采用固相法合成过程简单,制备出的样品有结块现象,颗粒较大；溶胶凝胶法则较繁琐,还需消耗大量的柠檬酸,制备出的样品呈棒状,颗粒比采用固相法制备出的更小,棒状颗粒的直径范围较宽,大概为0.2μm-1μm。研究表明,在800℃下煅烧制备出的样品较纯。两种材料在1mol L-1的Na2SO4水系电解液中,其首次比容量都将近200Fg-,在经过500次循环之后,容量保持率分别为88%和71.5%,采用溶胶凝胶法制备出的样品循环性能更优。2、以溶胶凝胶法制备出的Na4Mn9O18材料为正极,活性炭(YP-17D)为负极,以泡沫镍为集流体,电解液采用1mmol L-1的Na2SO4水溶液,隔膜为Celgard3501,组装成混合电容器。研究结果表明：当正负极质量比为1：2时,该混合电容器有最佳的容量值；该电容器在充放电时既表现出双电层电容的特性,同时又具有法拉第反应的特征,且内阻小；在500mA g-1的电流密度下,经过4000次循环后容量保持率为81.5%,该混合电容器的循环性能较优。3、采用溶胶凝胶法合成层状结构的Na0.7MnO2.05材料,在700℃下合成的样品颗粒均匀,粒径约为1μm。该材料在1mol L-1的Na2SO4水系电解液中,其结构和形貌均会随着充放电过程而改变,经过100次循环之后,该材料变为层状的Na0.55Mn2O4·1.5H2O,颗粒表面变得粗糙,呈褶皱片层状。电化学性能测试表明,新形成的层状材料具有较高的比容量。4、将Na0.7MnO2.05正极与活性炭负极组装成非对称的混合电容器,结果显示该电容器负极与正极的质量比为1.5时,具有较高的容量,能量密度能达到15.2Wh kg-1.经过5000次循环之后,容量保持率达到80%,充放电效率为100%,说明新形成的材料Na0.55Mn2O4·1.5H2O具有良好的循环性能。对该混合电容器进行交流阻抗测试,该混合电容器的电阻很小,其中,溶液电阻约为0.8Ω,电荷转移电阻约为1.5Q。