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超级电容器,又称电化学电容器,由于其功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、免维护,低成本和环境友好等特点,受到极大的关注。其中提高电极材料的比电容量和循环寿命,是获得更高性能超级电容器的关键因素。本论文以获得高性能的超级电容器电极材料为目标,采用水热反应法和静电纺丝技术分别制备了铁氧体纳米颗粒、MnO/C复合材料,研究了材料的结构和形貌,其作为超级电容器电极材料的储能性能,主要研究内容有:
通过水热反应法制备出了铁氧体(MFe2O4,M=Ni,Co,Mn,Zn)纳米颗粒,考查了不同温度和反应时间对产物形貌和结构的影响,最终选定反应时间24 h,反应温度190℃为最佳反应条件。颗粒尺寸比较小,平均粒径在十几纳米左右。在6 mol/L KOH溶液中,NiFe2O4、MnFe2O4、 CoFe2O4和ZnFe2O4的单电极比容量分别为56.8、110、78.6和65.7 F/g。因此,MnFe2O4较适合做电极材料。
通过高温煅烧醋酸锰,成功制备出金属氧化物MnO,颗粒呈不规则片状结构,尺寸约在150 nm左右,有堆叠现象。电化学测试表明所得MnO电极材料虽具有较好的循环性能,但比容量偏低,只有50.2 F/g。
采用静电纺丝技术,制得了随机排列、表面光滑的PAN/Mn(CH3COO)2纤维。考查了静电纺丝过程中几个重要参数的影响。在氮气气氛下于500、600、700、800和900℃下高温煅烧获得MnO/C复合材料。电化学测试结果表明,该复合材料电极反应中主要发生的是赝电容反应,800℃获得的复合材料在电流密度为0.1A/g时比容量达到201.2 F/g,5000次循环后,容量保持率为97%,表现出优异的电化学储能性能,适合做电极材料。
用高吸水性PAN纤维吸附Mn(CH3COO)2溶液,然后在氮气气氛下于600、700、800和900℃下高温煅烧获得MnO/C复合材料。纤维表面均吸附有颗粒。而且颗粒呈蓬松状,表面不光滑,凸凹不平。电化学测试结果表明,800℃获得的复合材料在电流密度为0.1 A/g时比容量达128.7 F/g,5000次循环后,容量保持率为95.8%。这也优于单一电极材料。