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目前钽超级电容器使用的主要是纯RuO2薄膜电极阴极片,而钌元素是稀贵金属成本较高,限制了钽超级电容器更广泛的应用。因此,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SnO2替代RuO2、开展Ta、Ti基RuO2-SnO2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的表征分析,比较深入的研究了所制备的阴极片的结构及其电学性能,得到如下研究结果:
(1)通过SnO2浓度(10wt%-70wt%)对阴极片(Ta基片)电学性能影响的研究表明:大量SnO2加入后,电学性能及循环伏安特性与纯氧化钌阴极片相当(含70wt%SnO2电容为138 mF/cm2,纯氧化钌阴极片电容为130 mF/cm2)。说明用大量的氧化锡替代氧化钌来制备超级钽电容器阴极片是可行的。
(2)对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320℃/30 min时,阴极片获得最佳电学性能。含10wt%、70wt%SnO2的阴极片的电容分别是152 mF/cm2、138 mF/cm2,电阻分别是100 mΩ/cm2、108mΩ/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2000 Hz、30 min的超声振动电极薄膜也不脱落。
(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320℃/30 min热分解处理后,复合阴极片的表面呈多孔状态、晶粒较小;电极薄膜已转化成氧化物、晶化程度比较高; Sn、Ru元素主要为+4价。
(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为基片与(1)组分相同的电极薄膜的阴极片,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320℃/30 min。在37%的硫酸里面浸泡4个月后电容及电阻基本不变,经2000 Hz、30 min的超声振动电极薄膜也不脱落。
(5)对70TiO2-10SnO2-20RuO2/Ta三元电极薄膜阴极片的探索研究表明:其电学性能、循环伏安特性比钽基纯氧化钌阴极片好,对应最佳电学性能的热分解温度为300℃/30 min。电容为161 mF/cm2,电阻为67 mF/cm2;在37%的硫酸里面浸泡4个月后电容及电阻基本不变,经2000 Hz、30 min的超声振动电极薄膜也不脱落。