二氧化锰电极材料的制备及其超级电容器性能的研究

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超级电容器作为一类新型能源存储器件,具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点,因而受到广泛的关注。二氧化锰(MnO2)因具有储量丰富、价格低廉、理论比电容量高(达到1370 F g-1)以及电位窗口宽等特点,是一种重要的超级电容器电极材料。然而,由于二氧化锰电极材料自身导电性差,从而限制了高电容性能二氧化锰基超级电容器的发展。本文以纳米结构的二氧化锰和高导电性材料复合来提高二氧化锰基超级电容器电化学性能作为研究内容。利用电化学沉积技术,成功制备了纳米结构的二氧化锰电极材料和三维MnO2/AgNW复合材料,并利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等测试手段对所制备电极材料的电化学性能进行系统的研究。而且,将MnO2/AgNW复合材料组装成柔性对称型超级电容器器件,并对其组装工艺和充放电性能进行了优化探索。主要研究内容和结果如下:1.利用串联电阻计时电位法和恒流充放电过程中的二次生长技术,制备了一种具有水钠矿和斜方锰矿结构的三维牡丹花状MnO2/FTO平板电极材料,展现了优异的电容性能,比电容量在电流密度为10 A g-1条件下能够达到1260 F g-1,10000次恒流充放电循环后其电容保持率达到304%。不同于传统的计时电流法,利用串联电阻计时电流法制备的MnO2电极材料在循环过程中能够进行二次生长,这种二次生长导致了MnO2晶体结构变化,从而明显的提高了其表面/近表面及体内赝电容性能。利用交流阻抗、循环伏安和恒流程放电测试,以及第一性原理计算研究了其储能机理,发现表面电容和体电容的贡献与扫描速率的有关,主要是通过对不同扫描速率下的总电容的划分和氧化还原峰得以证明。这种特殊结构的MnO2可用于微型超级电容器,同时其二次生长过程所展现的独特自修复特性,特别适合应用于免维修和长寿命的微型超级电容器领域。2.以银纳米线层作为导电集流体,利用电化学沉积技术将MnO2直接生长在AgNW上,制备成三维MnO2/AgNW复合电极材料,并对其电化学性能进行系统的研究。为了避免电沉积过程中的AgNW层的脱落问题,利用快速退火工艺将AgNW层在300 oC条件下进行焊接处理,促使相互交叉的AgNW之间形成焊接点,这能够明显的提高电极材料的导电性和循环寿命。在恒流充放电过程中,这种三维MnO2/AgNW复合电极材料的形貌由花状结构逐渐转变为蜂窝状,从而使比容量逐渐提高,从初始的423.5 F g-1增加到663.4 F g-1,7000次恒流充放电后其比电容提高到初始值的156.6%。3.基于上述MnO2/AgNW复合材料所展现的优异的电化学性能,将这种电极材料制备成柔性对称性滤纸基MnO2/AgNW超级电容器器件。为了避免AgNW层在滤纸上的脱落问题,对AgNW层进行加压处理。当扫速为10 mV/s,柔性超级电容器器件的电极材料的比电容为166.6 F g-1。进行10000次恒流充放电测试过程中,其仍能展现了较好的循环稳定性。当柔性器件进行弯折处理,其比电容量仍能保持101.4 F g-1的比容量。
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