锰基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究

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超级电容器具有快速的充放电速率、功率密度高并且安全可靠等优势,使其成为越来越受关注的一种有良好发展前景的新型储能器件。在众多的赝电容材料中,锰基氧化物和硫化物均有高的理论比容量、制备过程简单、储量丰富和成本低等优点,使其成为了超级电容器的重要电极材料。然而,锰基氧化物低的导电性使得实际容量较低;相对锰基氧化物,锰基硫化物具有较好的导电性,但其循环稳定性比较差,这些缺点限制了它们的广泛应用。基于锰基氧化物和硫化物所存在的问题,本论文主要采用简单、易操作的电化学沉积方法,分别对锰基氧化物和硫化物电极材料进行了复合改性,并对它们的电化学性能进行了详细分析与探究。主要的研究内容如下:(1)高性能氧化锰电极材料的制备与电化学性能研究。我们使用1.1 V恒电位电化学沉积的方法,调控电沉积温度制备了具有不同Mn3+/Mn4+比值的MnO2/CC复合材料(CC为导电碳布)。我们利用XPS、XRD、SEM和TEM等表征手段对MnO2/CC电极材料的结构和形貌进行了表征与分析。结果表明随着沉积温度升高到70°C,Mn3+/Mn4+的比值逐渐增大到0.99,当电沉积温度达到90°C时,Mn3+/Mn4+比值下降到0.70。通过CHI760E电化学工作站对它们的电化学性能进行了了测试与分析,并讨论了电极中Mn3+/Mn4+比值与电化学性能的关系。结果表明,MnO2-70电极有良好的电化学性能。此外,结合Mn3+-O-Mn4+的双交换相互作用和氧空位解释了电化学性能提高的原因。为了进一步探究MnO2电极的实际应用,基于MnO2-70正极材料和FeOOH/C负极材料组装了非对称的准固态超级电容器,该器件展示了55.7 Wh kg-1的高能量密度和6870 W kg-1的高功率密度,同时也有很好的柔性。(2)高性能硫化锰电极材料的制备与电化学性能研究。我们采用简单的循环伏安电沉积方法,通过控制循环圈数制备了MnS/NF的复合样品(NF为泡沫镍)。为了进一步提高此材料的循环稳定性能,在25°C的恒定温度下,以三羟甲基氨基甲烷和盐酸多巴胺作为碳源,对MnS/NF进行碳包覆处理,制备MnS/C/NF的复合材料。我们利用Raman、XPS、SEM和TEM等表征手段分别对MnS/NF和MnS/C/NF电极的结构和形貌做了表征与分析,通过CHI760E电化学工作站对它们的电化学性能进行了测试与分析,并讨论了包碳处理对电极材料的电化学性能影响。测试结果表明,碳包覆之后的MnS/C/NF电极拥有较高的比容量和优异的循环稳定性。在电流密度为1 A g-1时,MnS/C/NF电极的比容量可以达到812F g-1,其值明显高于未包覆碳的MnS/NF电极材料的比容量(720 F g-1)。且在经过5000次连续的恒电流(20 A g-1)充放电之后,其容量保持率为98%。为了进一步探究MnS/C/NF的实际应用,与活性炭(AC)负极材料组装了非对称的超级电容器,并对其进行了测试,展示了很好的电化学性能。
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