二氧化锰碳基复合材料的制备及电化学性能研究

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摘 要

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二氧化锰/碳基复合材料的制备及电化学性能研究

摘 要

目前，能源问题日益严峻，研发出低成本、高容量的新型超级电容电极材料是研究热点。二氧化锰作为过渡金属氧化物具有较高理论比容量和制备成本低的优点，因此被视为一种热门的电极材料。同时碳材料可具有较高比表面积和良好导电性，将其与二氧化锰复合，便可以得到尺寸小、分散性好、比表面积高的二氧化锰/碳基复合材料，大幅提到材料的电容性能。

本论文主要完成的工作如下：（1）通过调节反应时间分别为3 h、3.5 h和4 h,以水热法制备的二氧化锰/碳复合材料，并探究时间对材料形貌特征、电化学性能的影响。（2）样品的结构特征可以由扫描和透射电子显微镜(SEM、TEM)、X射线衍射(XRD)来确定。二氧化锰/碳基复合材料的电化学性能可以由电化学阻抗(EIS)、循环伏安(CV)和恒电流充放电测试来反映。通过三组复合材料测试结果的对比，水热反应时间为4 h的MnO₂/C复合材料样品作为超级电容电极材料具有更大的电容量（在0.4 A/g密度下的容量值为140 F/g），更优异的倍率性能（在10 A/g密度下的容量值为95 F/g）和卓越的循环稳定性（2000圈循环后，容量无衰减）。

关键词：超级电容器；电极材料；MnO₂；MnO₂/C复合材料

Study on the synthesis and electrochemical performance of MnO₂/C composites materials for Supercapacitors

Abstract

Nowadays, energy problem has become increasingly serious, and research and development of a new type of super capacitor electrode material with low cost and high capacity has been a hot research topic. MnO₂, as transition metal oxides with high capacity and low cost characteristics, is therefore regarded as a hot electrode materials. Meanwhile, carbon based materials have the advantages of High specific surface area and good electrical conductivity. Compounding MnO₂ with carbon base, we can get MnO₂/C composite with small size, good dispersion and specific surface area, so as to improve the properties of super capacitor.

In this thesis, two parts of work are described in the following.: (1) Explore synthesis method of MnO₂/C composite and set the hydrothermal reaction time as 3 h, 3.5 h, 4 h, in order to explore the influence of reaction time on the morphology and properties of composite materials. (2) Define structural characterization of samples by X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). MnO₂/C composite as an electrode material was fabricated into a supercapacitor and characterized by cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and galvanostatic charge–discharge measurements. By comparing the test results of three kinds of composite materials, MnO₂/C composite with hydrothermal reaction time of 4 hours as electrode material of super capacitor has higher specific capacitance value (140 F/g at 0.4 A/g), better rate performance (95 F/g at 10 A/g) and excellent cycleability (retention 100 % after 2000 cycles).

KEY WORDS: Supercapacitor; electrode materials; MnO₂/C composite materials; MnO₂

目 录

1. 引言 6

1.1超级电容器的介绍 6

1.1.1超级电容器的结构 6

1.1.2超级电容器的工作原理 7

1.2 碳材料在超级电容器中的研究进展 9

1.2.1　超级电容器对碳材料的要求 9

1.2.2 电极中碳材料的分类 9

1.2.2.1　活性炭粉 9

1.2.2.2　活性炭纤维 10

1.2.2.3　炭气凝胶 10

1.2.2.4　碳纳米管 10

1.3二氧化锰在超级电容器中的研究进展 11

1.3.1 二氧化锰电极材料在电解质溶液中的反应机理 11

1.3.2 二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用原理 12

1.3.3 二氧化锰/碳基复合材料的研究 12

1.4本论文的研究目的及方法 13

1.4.1 本论文的研究目的 13

1.4.2 本论文的研究方法 13

2. 实验方法 14

2.1 实验试剂 14

2.2实验仪器 14

2.3样品制备 15

2.4 材料的电化学性能测试 15

2.4.1 恒电流充放电测试 15

2.4.2 循环伏安 15

2.4.3 交流阻抗测试 15

2.5 材料的结构表征 15

2.5.1 X射线衍射分析（XRD） 15

2.5.2 扫描电子显微镜（SEM） 16

2.5.3 透射电子显微镜（TEM） 16

3. MnO₂/C复合材料及其电容性能研究 16

3.1 结构表征 16

3.1.1 XRD谱图分析 16

3.1.2 样品形貌分析 17

3.1.2.1 扫描电子显微镜图谱（SEM） 17

3.1.2.2 透射电子显微镜图谱 20

3.2 电化学性能分析 22

3.2.1 循环伏安测试 22

3.2.2 交流阻抗测试 23

3.2.3 倍率性能测试 24

3.2.4 循环稳定性测试 26

3.3本章小结 27

结论 28

致谢 28

参考文献 29

1. 引言

目前全世界正面临着能源短缺的问题，它严重的影响着我们的日常生活。在能源短缺的威胁下，人们不断地努力寻找新型的、环保型的能源，例如太阳能、潮汐能、风能等等都是热门的研究方向。然而我们所说的太阳能、潮汐能、风能都比较难满足快速大量充放电的需求，这就需要我们去不断探索可以大量储存电能，并可以迅速进行充放电的装置。超级电容器不仅可以满足这些条件，还有许多其他优点，比如工作温度范围宽、可靠性好、充放电速度快、循环寿命长、免维护、效率高等。这也使超级电容器在电力电子、交通领域、通讯、国防等领域有着十分广阔的应用前景、也成为了世界各国目前研究的热点问题^[1]。

超级电容器同时具有锂离子电池较大的充电容量和普通物理电容器的高放电功率。科研人员看到了超级电容器拥有的各种优势后，便一直致力于研究和开发高比功率和高比能量的超级电容器，并将其进行了广泛的应用，如笔记本电脑、移动通信等其他电力支持^[2]。超级电容器也可以在其他领域大放异彩，如燃料电池启动电源、计算机电力支持等。随着科学技术的发展，时代的不断进步，人们越来越重视能源的质量，在各项领域的研究中，科学家尽可能多的使用绿色环境友好型能源。而超级电容器又恰巧满足了高电荷储存量、快速充放电等要求，我们的工作就是开发研究高容量的材料^[2]。

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