金屬氧化物超級電容器的研究.pdf

1、近十多年來,便攜式電子電器產(chǎn)品,以及電動汽車的迅速發(fā)展,都極大地促進了新電源技術(shù)的發(fā)展。超級電容器是一種具有高功率長壽命等一系列優(yōu)點的綠色儲能裝置,對于解決世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題具有重要的意義。超級電容器主要分為雙電層超級電容器,法拉第準(zhǔn)電容超級電容器,混合型超級電容器三種,由于金屬氧化物在電極/溶液界面反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容要遠(yuǎn)大于碳材料的雙電層電容,因此引起了不少研究者的興趣。本文分別針對幾種不同的過渡金屬氧化物進行了

2、其電性能的研究。
　　由于超級電容器相比其他儲能裝置具有能量密度較低的缺點,一定程度上限制了超級電容器的進一步發(fā)展。根據(jù)超級電容器的能量密度的計算公式:E=1/2CV2,可以發(fā)現(xiàn)提高超級電容器的能量密度的方法有兩種,一是提高超級電容器的工作電壓(V),二是提高電容器的容量(C)。對于前一種方法,可以通過有效地混合型超級電容器來實現(xiàn)。而本文主要針對提高金屬氧化物電容器的容量(C)進行了一些研究。電容器的容量(C)主要受到兩個方面因素

3、的影響,分別是電極材料和電解液,有效地調(diào)變這兩個因素都可以達到提高超級電容器容量的目的。本文分別針對電極材料和電解液的選擇進行了以下一些研究:
　　1.模板法制備的有序介孔Co3O4的電化學(xué)電容行為的研究:
　　法拉第準(zhǔn)電容主要來自于電極材料表面或近表面快速可逆的氧化還原反應(yīng)。根據(jù)這一原理,制備納米多孔電極材料是提高法拉第準(zhǔn)電容的一個有效途徑。通過納米多孔結(jié)構(gòu)可以明顯提高電極材料和電解液的接觸面積,從而增大電極材料的利用率,

4、獲得更大的比電容,同時可以有效地縮短離子傳遞的距離。
　　本部分內(nèi)容主要采用二氧化硅介孔分子篩SBA-15為模板,通過液相浸漬法復(fù)制合成了具有有序介孔結(jié)構(gòu)的Co3O4,并首次在6 mol/L,KOH中詳細(xì)研究了其電化學(xué)行為。有序介孔結(jié)構(gòu)的Co3O4具有孔徑分布在3～4 nm的介孔結(jié)構(gòu),同時具有更高的比表面積83m2/g,通過電化學(xué)測試結(jié)果表明:這種納米多孔的Co3O4的比容量達到了250F/g,遠(yuǎn)大于直接煅燒制的Co3O4;同時,

5、有序的孔結(jié)構(gòu)并未影響離子的迅速擴散,確保了電極材料的功率特性。
　　2.納米結(jié)構(gòu)的MnO2及其電化學(xué)性能的研究:
　　MnO2材料作為超級電容器的電極材料,和許多貴金屬氧化物以及其他過渡金屬氧化物相比,具有價格低廉,礦藏豐富,同時又環(huán)境友好等優(yōu)點,因此吸引了許多研究者的關(guān)注,并被認(rèn)為作為超級電容器電極材料最有應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Φ慕饘傺趸?。在研究MnO2材料的電化學(xué)性能的過程中,如何減小顆粒的尺寸被認(rèn)為是提高MnO2比電容的一條非

6、常重要地途徑。
　　本文利用簡單的液相氧化還原沉淀法,利用高錳酸鉀和苯胺作為原料,在不同濃度表面活性劑的作用下,合成了具有納米片狀結(jié)構(gòu)的無定形前體MnO2,并對其在1 M Li2SO4的電解液中進行電化學(xué)測試。通過實驗的嘗試,得到了當(dāng)表面活性劑為0.2M時,能夠得到比容量最大的前體MnO2材料,其比容量可以達到237F/g。此外,我們對前體MnO2材料進行了不同條件的煅燒實驗,發(fā)現(xiàn)一定條件煅燒后的煅燒MnO2具有電化學(xué)過程嵌鋰的現(xiàn)

7、象,分別在0.7～1V間出現(xiàn)了兩對氧化還原峰。該現(xiàn)象的產(chǎn)生,說明MnO2電極的表層通過電化學(xué)過程,產(chǎn)生了一定量的尖晶石型錳酸鋰。這一現(xiàn)象使得經(jīng)過煅燒的MnO2材料仍然能夠維持229F/g的比容量,同時材料的工作電位窗口從0.9V提高到了1.1V。
　　3.通過優(yōu)化材料孔徑改善鐵氰化鉀為電解液添加劑時的NiO的電容行為:
　　對于改善金屬氧化物比電容,許多研究者們將主要的研究重心放在如何開發(fā)更多可以替代RuO2的氧化物材料,或

8、者通常采用各種修飾和改性方法來得到具有更好電容性能的這些廉價過渡金屬氧化物,但是盡管如此這些廉價的過渡金屬氧化物材料所表現(xiàn)出的電化學(xué)容量性能仍然遠(yuǎn)不及RuO2。本文從改善電解液的方面入手,采用添加具有活性的添加劑,以提高電容器的容量,同時針對活性離子的自放電現(xiàn)象,進行了電極材料的孔徑優(yōu)化,以抑制其自放電。
　　本文采用鐵氰化鉀作為KOH電解液的添加劑,研究NiO的電容行為。由于鐵氰根在NiO材料的工作窗口范圍內(nèi)存在鐵氰根和亞鐵氰根