Y掺杂ZrO2包覆MnO2材料及用于超级电容器的研究

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随着化石燃料的消耗与濒临枯竭,环境问题和能源危机已经引起世界各国的极大关注。能源对国民经济发展有着至关重要的作用,因此寻找可持续清洁能源成为世界各国经济发展中的重中之重。能源存储技术作为连接能源与能源多方式使用的桥梁,已经引起全世界科研工作者的关注。超级电容器作为一种新的能源存储方式,具有功率密度大、使用寿命长等优点,日益受到人们的青睐。二氧化锰作为赝电容型超级电容器电极的一种材料,具有成本低、对环境无害、理论比容量高等优点,但是材料本身导电性差,在循环过程中不稳定。本文首次制备了Y掺杂的ZrO2包覆MnO2材料,作为超级电容器的电极材料,并对电极的充放电性能、循环伏安性能、交流阻抗性能做了系统的研究。  本文以二氧化锰作为包覆对象,选用ZrOCl2·8H2O与Y(NO3)3·6H2O作为原料进行包覆。通过单因素实验研究了氧氯化锆用量、煅烧温度、CTAB浓度、包覆反应时间、钇的掺杂用量、电极压片压力等工艺条件对二氧化锰比容量的影响。测试得到的最佳工艺条件:氧氯化锆用量为0.6171g,煅烧温度为450℃,CTAB浓度为7mmol/L,包覆反应时间为3h,钇的掺杂用量为5%(vs氧氯化锆用量,mol%),压片压力为10MPa。  然后,对包覆后的电极进行恒流充放电测试,循环充放电100次后结果表明:Y-ZrO2@MnO2电极循环100次后的比容量相对于第一次的比容量仅下降了7%左右,而纯MnO2电极循环100后的比容量下降了30%以上;同样循环100次的纯MnO2电极循环伏安曲线虽然保持了矩形形状,但是响应电流明显小于1次的。这些研究表明,对二氧化锰进行无机层包覆后,电极的循环稳定性得到了明显地提高。本文还选用了六种实验室常见的电解质配制了六种电解液,实验测试结果发现,泡沫镍集流体在含Cl的电解液中稳定电位窗口在-0.6~0.4 V(vs SCE),而在Na2SO4溶液与K2SO4溶液中的稳定电位窗口在-0.2~0.8V(vs SCE),这些结果表明集流体一定要与电解液匹配,否则集流体会发生腐蚀。  最后利用交流阻抗测试方法考察了电极的一些阻抗性能,并且研究了无机包覆层提高电极循环稳定性的原因。
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