基于氧化锰和碳材料的超级电容器研究

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1、电子科技大学博士学位论文基于氧化锰和碳材料的超级电容器研究姓名：张治安申请学位级别：博士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨邦朝20050301电f-科技大学博卜学位论文摘要超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。与传统静电电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度;与电池相比，具有更大的功率密度。超级电容器具有瞬间释放特大电流、充放电效率高、循环寿命长等特点。在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域具有重要和广阔的应用前景，在世界范围内引起了极大关注。

2、超级电容器的研究，主要集中在高性能电极材料和电极的制备上。本文选定高比表面积导电炭黑、活性炭、廉价的氧化锰作为超级电容器的电极材料，结合多种电化学研究手段和材料研究测试方法，系统地研究了超级电容器的材料制备、电解液的选择、电极制备、电容特性及其影响因素、鹰电容形成机理。主要研究内容和创新点如下:1.首次提出用工业化的高比表面积导电炭黑作为超级电容器的电极材料。通过探索电极的制备工艺和电容器的组装工艺，利用循环伏安和恒流充放电等手段，研究了炭黑基超级电容器的电容特性。研究发现，高比表面积导电炭黑作

3、超级电容器的电极材料，表现出良好的双电层电容行为，电极的可逆性良好，ESR值较小，具有优良的功率特性。炭黑电极的比容量在6070F/g之间。首次提出采用超声混合技术制备不同比例的活性炭/炭黑复合电极材料。通过工艺优化，发现当活性炭/炭黑质量比为7:2时，制备的复合电极的比容量最大。当充放电电流为5mA时，复合电极在30wt%KOH和1mol/LNa2S04电解液中的放电比容量分别为133.6F/g和110F/g。且放电比容量均随充放电电流的增大而减小。2.通过液相共沉淀法制备Mn0:粉末电极材料

4、。研究了不同热处理温度对MnO:电容特性和循环寿命的影响。研究发现，低温处理得到的Mn02,在Imol/LNa2SO;中性水溶液中，于一0.2--+0.8V(vsSCE)电位窗口范围内，具有典型的电容特性。首次提出以聚乙二醇为分散剂，控制洗涤和干燥工艺，制备了BET比表面积达160.7m2/g的无定型、水合纳米Mn02。其粒径在10-30nm之间，材料的孔隙分布集中在1-15nm之间。扫描速度为4mV/s时，比容量高达203.4F/go采取机械混合和超声混合两种方法制备氧化锰电极，经中文摘要不同

5、扫描速度的循环伏安测试。结果显示，采用超声混合技术制备的氧化锰电极比采用机械混合技术制各的氧化锰电极具有较好的功率特性。研究了不同电解液组成和不同浓度对纳米MnO:电容特性的影响，对氧化锰电极在中性电解液中产生膺电容的机制进行了探讨。3.首次提出以聚乙二醇和聚乙烯毗咯烷酮为分散剂，加入高比表面积、高导电性的纳米级炭黑，采取化学共沉淀法制备出Mn02/炭黑纳米复合超级电容器电极材料。以不同的扫描速度、在不同的电位窗口范围内对Mn仇/炭黑纳米复合电极作循环伏安测试，并以不同的电流进行恒流充放电测试。

6、结果发现，Mn02/炭黑纳米复合电极在中性电解液中具有典型的电容特性和较好的功率特性，复合电极的平均比电容达142.02F/g。利用优化的Mn02/炭黑纳米复合电极材料，成功制备出钮扣型超级电容器。4.首次提出利用低温固相反应法，通过掺杂技术来提高MnO:电极材料的电容特性。利用低温固相反应制得的纳米二氧化锰，以及掺杂Pb、掺杂Ni的复合氧化物作为超级电容器电极材料。研究发现，掺Pb复合氧化物的粒径均为纳米尺寸，呈无定型结构;掺杂Pb的复合氧化物提高了电极电化学窗口的上电位值，从而拓宽了电极的工

7、作电位窗口;随着掺杂Pb量的增加，比容量先增加后减小，当Mn/Pb为8:2时，比容量最大;当放电电流为2mA时，Mno.8Pbo.20x氧化物电极比容量为180.5F/go掺杂Ni的复合氧化物呈无定型结构，粒径随掺杂Ni量的增加而减小;随着掺杂Ni含量的增加，比容量先增加后减小，当Mn/Ni为8:2时，Mno.8Nio.20、复合氧化物的电容特性较好，比容量最大，5mA放电比容量为194.5F/g，而未掺杂Ni的MnO2放电比容量仅为150F/go关键词:超级电容器，炭黑，活性炭，氧化锰，双电层

8、电容，鹰电容电子科技大学博十学位论文AbstractSupercapacitorshavebeenrecognizedasuniqueenergystoragedeviceswhichhavehigherenergydensitythanconventionalcapacitors,andhigherpowerdensityandlongercyclelifethanbatteries,fillingthegapbetweenconventionaldielectriccapacitorsand