發(fā)布時(shí)間：2020-10-12 01:42

　　 大的可逆電容和良好的倍率性能對(duì)二氧化錳(MnO_2)電極材料是至關(guān)重要的,但是目前MnO_2的導(dǎo)電性和可充性并不是十分理想,已被證明很難擁有大的倍率性能。本文以二氧化錳為基底材料來(lái)制備超級(jí)電容器正極材料,通過(guò)探索在MnO_2中摻雜不同的過(guò)渡金屬離子或?qū)⑵渑c聚苯胺復(fù)合的方法來(lái)改善二氧化錳的導(dǎo)電性、可充性、比電容和倍率性能。本文的具體內(nèi)容如下:(1)通過(guò)化學(xué)沉淀法合成了Cu~(2+)、Co~(2+)、Ni~(2+)摻雜的MnO_2,結(jié)果表明摻雜可以提高M(jìn)nO_2電導(dǎo)率。通過(guò)使用Co~(2+)、Ni~(2+)摻雜MnO_2使得MnO_2顆粒尺寸明顯變小,獲得分布相對(duì)合適的孔徑,且晶體中結(jié)晶水的含量也顯著增加,所有這些特性的改變都有利于提高二氧化錳的本征電導(dǎo)率。同時(shí),摻雜還引起了MnO_2晶格的缺陷,增加了其空穴數(shù)量。結(jié)果還表明金屬離子摻雜的MnO_2比未摻雜的MnO_2顯示出更好的倍率性能。特別是Ni~(2+)摻雜的MnO_2表現(xiàn)出最佳的倍率性能,即使在8 A g~(-1)時(shí),Ni~(2+)摻雜的MnO_2仍然具有高達(dá)234.0 F g~(-1)的比電容,遠(yuǎn)大于MnO_2在1 A g~(-1)(僅173.6 F g~(-1))時(shí)的比電容�？傊�,摻雜是改善MnO_2導(dǎo)電性能和倍率性能的有效方法。(2)首先制備了α、β、δ、λ四種不同晶型的MnO_2,然后通過(guò)循環(huán)伏安法對(duì)材料電化學(xué)性能進(jìn)行表征,在掃描速率為1 mV s~(-1)時(shí),α、β、δ、λ四種不同晶型MnO_2的比電容分別是248.7、105.6、203.5和89.4 F g~(-1)。然后將電化學(xué)性能最佳的α-MnO_2與苯胺復(fù)合制備出性能優(yōu)良的α-MnO_2/PANI復(fù)合物。通過(guò)掃描電鏡(SEM)、循環(huán)伏安法(CV)、計(jì)時(shí)電位法(GCD)和電化學(xué)交流阻抗(EIS)對(duì)材料進(jìn)行了表征。結(jié)果表明α-MnO_2/PANI復(fù)合物表現(xiàn)出比純?chǔ)?MnO_2、PANI更好的電化學(xué)性能,在電流密度為0.5 A g~(-1)時(shí)α-MnO_2/PANI復(fù)合物比電容高達(dá)790.0 F g~(-1),而α-MnO_2、PANI的比電容分別為103.5 F g~(-1)和339.1 F g~(-1),這表明將二氧化錳和聚苯胺復(fù)合后其電化學(xué)性能得到了顯著的提升。
【學(xué)位單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TQ137.12;TM53
【部分圖文】：

圖 1.1 超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模Figure1.1 Market size of supercapacitors1.2 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)及其分類(lèi)超級(jí)電容器通常是按電極活性物質(zhì)的儲(chǔ)能機(jī)理來(lái)劃分[1]，其可劃分為：層電容器、法拉第準(zhǔn)電容器以及混合型電容器。1.2.1 雙電層電容器雙電層電容器，簡(jiǎn)稱(chēng) EDLC。圖 1.2 為雙電層電容器充放電原理示意圖電時(shí)電子從正極向負(fù)極轉(zhuǎn)移，由于電極上電荷的吸引，電解液中的陰、陽(yáng)離別向電極的正極和負(fù)極移動(dòng)，于是在電極和電解質(zhì)之間就會(huì)形成雙電層。當(dāng)充電后，電極上儲(chǔ)存的電荷并不會(huì)消失，所以電解液中陰、陽(yáng)離子還是會(huì)受極上電荷對(duì)它的吸引[5]，從而產(chǎn)生較為穩(wěn)定的電勢(shì)差。當(dāng)電極上儲(chǔ)存的電荷后陰陽(yáng)離子失去電極上電荷的吸引，于是陰陽(yáng)離子在電解液中恢復(fù)原來(lái)的狀

圖 1.2 EDLC 充放電原理圖Figure 1.2 EDLC charge and discharge schematic雙電層電容器能實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能的原因，源于它具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[6][7]：① 孔隙多，比表面積大，使得電解液能夠盡可能多的儲(chǔ)存在材料里；② 化學(xué)穩(wěn)定性較好，即使在酸堿溶液中也會(huì)保持原有的物理化學(xué)性質(zhì)③ 價(jià)格便宜，儲(chǔ)量豐富且對(duì)環(huán)境污染小。.2 法拉第準(zhǔn)電容器法拉第準(zhǔn)電容又稱(chēng)為“贗電容”，雖然名稱(chēng)中有電容二字，但它并不是上的電容器，而是像我們接觸較多的電池一樣，是通過(guò)發(fā)生氧化還原反儲(chǔ)能和釋放電能。法拉第準(zhǔn)電容器在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，電極活性物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)[8]，因此，法拉第電容器的能量密度和電高于雙電層電容。當(dāng)雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容器具有相同大小電極面第準(zhǔn)電容器的比電容是雙電層電容器的 10-100 倍[9]。但它也有一定的缺

圖 1.3 贗電容電荷存儲(chǔ)機(jī)理Figure 1.3 Farady capacitor charge storage mechanism 混合型電容器合型電容器就是雙電極采用不同的電極材料，它同時(shí)結(jié)合了雙電層電容第電容的優(yōu)勢(shì)�；旌闲统�(jí)電容器按照電極材料又可分為兩大類(lèi)：第一極是雙電層類(lèi)的多孔碳電極，另一個(gè)是贗電容類(lèi)的電極；第二類(lèi)是雙電碳電極與二次電池類(lèi)的組合[11]。
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