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钽电容器是超级电容器的一种,具有体积小,电容大,性能好,寿命长的特点。目前钽超级电容器使用的是纯RuO2薄膜电极阴极片,由于钌元素是稀贵金属成本比较高,限制了超级电容器更广泛的应用。超级钽电容器低成本阴极片的开发研究成为亟待解决的问题。
本文主要针对上述问题,提出用TiO2替代RuO2、开展Ta、Ti基RuO2-TiO2电极薄膜阴极片的研究。通过溶液热解法来制备复合阴极片,采用电化学分析、电容特性的测试分析、XRD、SEM、XPS等手段,比较深入的研究了所制备的阴极片的电学性能及表征,得到如下研究结果:
(1)通过TiO2(5wt%-5Owt%)添加替代RuO2对阴极片(Ta基片)电学性能影响的研究表明:大量TiO2加入后,电学性能及循环伏安特性与纯氧化钌阴极片相当。说明用大量的氧化钛替代氧化钌来制备超级钽电容器阴极片是可行的。
(2)热分解温度对所制备阴极片(Ta基片)电学性能影响的研究表明,热分解温度为300℃/30min时,阴极片获得最佳电学性能。10TiO2-RuO2/Ta、50TiO2-RuO2/Ta的阴极片的电容分别是100mF/cm2、105 mF/cm2、,电阻分别是65mΩ/cm2、56 mΩ/cm2,其电极表面平整光滑,附着力好,在37%的硫酸里面浸泡4个月后电容及电阻基本不变,经2000Hz、30min的超声振动电极薄膜不脱落。
(3)通过SEM、XRD、XPS分析研究表明:随着热分解温度的变化阴极片(Ta基片)的表面形貌、结构组分、表面元素价态都有相应的变化。经300℃/30min热分解处理后,复合阴极片的表面未呈晶化态、表面平整;TiO2氧化完全,电极薄膜大部分形成无定形水合RuO2,少部分结晶态RuO2; Ti、Ru元素主要为+4。
(4)通过Ti基片替代Ta基片所制备的阴极片的性能及结构的研究表明:以Ti为基底制备与(1)组分相同的复合涂层阴极片,电学性能无明显变化;对应最佳电学性能的热分解温度也为300℃/30min。在37%的硫酸里面浸泡4个月后电容及电阻基本不变,经2000Hz、30min的超声振动电极薄膜不脱落。
(5)对10TiO2-20SnO2-70RuO2/Ta三元电极薄膜阴极片的探索研究表明:其电学性能、循环伏安特性与钽基纯氧化钌阴极片相当,对应最佳电学性能的热分解温度为300℃/30min。电容为107mF/cm2,电阻为73mΩ/cm2;在37%的硫酸里面浸泡4个月后电容及电阻基本不变,经2000Hz、30min的超声振动电极薄膜也不脱落.