C@MnO2混合復(fù)合材料在超級(jí)電容器電極中的應(yīng)用

1、CMnO2 混合復(fù)合材料在超級(jí)電容器電極中的應(yīng)用報(bào)告人：楊文博報(bào)告人：楊文博單單 位：西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)位：西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)1202班班郵郵 箱：箱：ace_世紀(jì)問題世紀(jì)問題 21世紀(jì),能源問題無庸置疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著全球變暖等氣候問題的日益嚴(yán)峻以及常規(guī)化石燃料的日益枯竭,這不僅要求人們要加快開發(fā)清潔、可持續(xù)和可再生的能源以及有效控制二氧化碳等溫室氣體的排放,而且要求人們發(fā)展更加先進(jìn)的能量存貯和控制裝置,從而滿足世界范圍內(nèi)的能源需求。超級(jí)電容器能夠提供短暫但是極高的功率,很可能成為下一代最重要的能源存儲(chǔ)裝置。開發(fā)和研制一種先進(jìn)的超級(jí)電容器,高容量的活性電極材料是不可缺少的。

2、本文采用不同的合成方法制備了不同微觀形貌的氧化錳、碳氧化錳以及碳聚苯胺復(fù)合材料并將其用作超級(jí)電容器電極材料,通過XRD、SEM、TEM、Raman、XPS等技術(shù)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了分析,通過循環(huán)伏安、恒流充放電和交流阻抗等測試方法對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。摘要摘要 碳錳（CMnO2 ）混合復(fù)合材料已由高錳酸根和管狀碳化木棉纖維之間的氧化還原反應(yīng)制備出來。該形態(tài)和所制備的混合復(fù)合材料的電化學(xué)性能可以輕便地通過調(diào)整 的濃度來控制。碳錳電極具有具有由MnO2 納米片組裝而成的管狀結(jié)構(gòu)，具有高電容、電流密度的特性。在對(duì)溫度依賴性研究中指出特定電容量隨測試溫度升高而增大，該結(jié)果表明引入高導(dǎo)電碳是一種

3、有效的方法去提高那些因?qū)щ娦阅懿疃拗频碾娙萘?、循環(huán)壽命和速率的MnO2 電極的電學(xué)性能。-4MnO1 理論介紹理論介紹2 實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)介紹目目錄錄 制備材料用品制備材料用品 碳化木棉纖維制備碳化木棉纖維制備 碳錳混合復(fù)合材料制備碳錳混合復(fù)合材料制備形貌特征形貌特征 電化學(xué)分析電化學(xué)分析CMnO2的制備和性能分析的制備和性能分析 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征電化學(xué)測試電化學(xué)測試 電容的溫度依賴性電容的溫度依賴性 研究結(jié)論研究結(jié)論制備理論基礎(chǔ)制備理論基礎(chǔ)3 結(jié)果和分析結(jié)果和分析4 結(jié)論結(jié)論研究理論簡介研究理論簡介高功率密度高功率密度長循環(huán)壽命長循環(huán)壽命安全操作性安全操作性MnO2 電極材料電極材料便宜易得、

4、豐度高便宜易得、豐度高高容量高容量1370Fg-1 減少電荷遷徙減少電荷遷徙比表面積大比表面積大多次充放電循環(huán)多次充放電循環(huán) 低成本、高環(huán)保低成本、高環(huán)保結(jié)構(gòu)精細(xì)結(jié)構(gòu)精細(xì)天然管狀模版天然管狀模版超級(jí)電容器超級(jí)電容器電極材料電極材料MnO2 電電極極MnO2 電極電子存儲(chǔ)原理電極電子存儲(chǔ)原理MnO2 電極電化學(xué)性質(zhì)電極電化學(xué)性質(zhì)納米結(jié)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)KF（Kapok fiber木棉纖維）木棉纖維）電極材料制備流程電極材料制備流程制備材料及用品制備材料及用品木棉纖維木棉纖維苯胺碳化碳化KF的制備的制備 為增加為增加KF的壁厚，聚苯胺引入到的壁厚，聚苯胺引入到KF表面。過程中表面。過程中天然天然KF浸泡在

5、乙醇和苯胺溶液中，混合物攪拌浸泡在乙醇和苯胺溶液中，混合物攪拌2小時(shí)，小時(shí)，將水溶的將水溶的APS溶液作為氧化劑加入在室溫下劇烈攪拌溶液作為氧化劑加入在室溫下劇烈攪拌8小時(shí)，苯胺和小時(shí)，苯胺和APS摩爾比為摩爾比為4:1 將得到的產(chǎn)物表示為將得到的產(chǎn)物表示為KF聚苯胺，用乙醇洗滌并聚苯胺，用乙醇洗滌并相隔離心相隔離心 在將產(chǎn)物在在將產(chǎn)物在700氮?dú)夥諊绿蓟獨(dú)夥諊绿蓟?小時(shí)，升溫速度小時(shí)，升溫速度為為5/min ,記為記為CKF 將對(duì)照試驗(yàn)組直接在將對(duì)照試驗(yàn)組直接在700氮?dú)鈿夥障绿蓟漠a(chǎn)物氮?dú)鈿夥障绿蓟漠a(chǎn)物記為記為DCKF(直接碳化直接碳化) CMnO2混合復(fù)合材料制備反應(yīng)混合復(fù)合材料

6、制備反應(yīng)-3-2322-4HCO2COMnO4OHC3MnO4 CKF分散在含有分散在含有MnO4的溶液中攪拌的溶液中攪拌1小時(shí)，小時(shí)，在在80條件下反應(yīng)條件下反應(yīng)6d時(shí)間，最后產(chǎn)品用水洗滌時(shí)間，最后產(chǎn)品用水洗滌并分離離心，在并分離離心，在60真空條件下干燥真空條件下干燥24小時(shí)。小時(shí)。形貌特征形貌特征 將樣品置于布魯克將樣品置于布魯克IFS66V/S的紅外光譜儀下，樣品形貌用的紅外光譜儀下，樣品形貌用JEM-1200EX/S的的TEM進(jìn)行表征。將樣品分散在乙醇中振動(dòng)進(jìn)行表征。將樣品分散在乙醇中振動(dòng)10分分鐘，然后沉積在覆蓋有多孔碳片的銅格柵。鐘，然后沉積在覆蓋有多孔碳片的銅格柵。CMnO2混

7、合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析 CMnO2制備的制備過程中，制備的制備過程中，MnO4-濃度對(duì)其顏色以及濃度對(duì)其顏色以及結(jié)構(gòu)和形貌的影響。結(jié)構(gòu)和形貌的影響。CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析 CKF與與KMnO4質(zhì)量比不同得到四種不同產(chǎn)物質(zhì)量比不同得到四種不同產(chǎn)物CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析X射線衍射分析射線衍射分析CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析從從C-V曲線曲線可以很清楚的看到可以很清楚的看到CMnO2-2電極容量最大電極容量最大可得如下結(jié)論：可得如下結(jié)論：（1）碳和）碳和MnO2之間的協(xié)同效之間的協(xié)同效應(yīng)應(yīng)（

8、2）分層介孔管狀結(jié)構(gòu)便于離）分層介孔管狀結(jié)構(gòu)便于離子的插入和提取子的插入和提?。?）相互連接的多孔超薄材料）相互連接的多孔超薄材料MnO2納米片不僅縮短了離子的納米片不僅縮短了離子的擴(kuò)散路徑，也獲得了高利用率擴(kuò)散路徑，也獲得了高利用率的活性物質(zhì)。的活性物質(zhì)。CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析這幅圖是這幅圖是CMnO2電極在不同的掃描速度下的圖，表明了該電極材料電極在不同的掃描速度下的圖，表明了該電極材料在充放電過程中保持良好的電化學(xué)性能。在增加掃描速度時(shí)離子間的在充放電過程中保持良好的電化學(xué)性能。在增加掃描速度時(shí)離子間的有效相互作用和電極的作用大大減小有效相互作用和電極的作

9、用大大減小CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析CKF和和CMnO2復(fù)合材料的奈奎斯特圖復(fù)合材料的奈奎斯特圖 右圖是左邊的圖在低頻區(qū)的放大右圖是左邊的圖在低頻區(qū)的放大（橫坐標(biāo)：等效串聯(lián)電阻（橫坐標(biāo)：等效串聯(lián)電阻 縱坐標(biāo)：電荷轉(zhuǎn)移電阻）縱坐標(biāo)：電荷轉(zhuǎn)移電阻）在頻率為在頻率為0.005HZ-100kHZ的交流阻抗進(jìn)行測量來評(píng)估其對(duì)電極材料電化學(xué)性能的交流阻抗進(jìn)行測量來評(píng)估其對(duì)電極材料電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能的影響。所有圖在高頻和低頻有相似的圖形，它反映了一種混合控制和結(jié)構(gòu)性能的影響。所有圖在高頻和低頻有相似的圖形，它反映了一種混合控制的方法：的方法：（1）在高頻區(qū)電荷轉(zhuǎn)移起控制作用，這

10、是由于電極、溶液界面有別的異質(zhì)存在）在高頻區(qū)電荷轉(zhuǎn)移起控制作用，這是由于電極、溶液界面有別的異質(zhì)存在（2）在低頻區(qū)擴(kuò)散起控制作用，在低頻處的斜率接近無窮大，這是由于吸附離）在低頻區(qū)擴(kuò)散起控制作用，在低頻處的斜率接近無窮大，這是由于吸附離子在電極表面所造成的，斜率表示（瓦爾堡阻抗）離子擴(kuò)散阻抗（電解質(zhì)在在電子在電極表面所造成的，斜率表示（瓦爾堡阻抗）離子擴(kuò)散阻抗（電解質(zhì)在在電極材料介孔中的擴(kuò)散阻抗）極材料介孔中的擴(kuò)散阻抗）由圖可看出由圖可看出CKF和和CMnO2復(fù)合材料的復(fù)合材料的Rs值約為值約為1.3歐，很明顯在高頻區(qū)歐，很明顯在高頻區(qū)2相比相比于于CKF和其它曲線有更小的圓的直徑。這表明它的

11、電化學(xué)系統(tǒng)和電荷轉(zhuǎn)移有更和其它曲線有更小的圓的直徑。這表明它的電化學(xué)系統(tǒng)和電荷轉(zhuǎn)移有更小的阻力。這結(jié)果可能與它們的形貌和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。高的比表面積和分層介小的阻力。這結(jié)果可能與它們的形貌和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。高的比表面積和分層介孔管狀結(jié)構(gòu)有利于電荷轉(zhuǎn)移。此外，在奈奎斯特圖的低頻處斜率的差異表明孔管狀結(jié)構(gòu)有利于電荷轉(zhuǎn)移。此外，在奈奎斯特圖的低頻處斜率的差異表明CKF的擴(kuò)散性比的擴(kuò)散性比CMnO2復(fù)合材料大得多，這可能是由于分層中空的管狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料大得多，這可能是由于分層中空的管狀結(jié)構(gòu)和相互連接的多孔超薄的和相互連接的多孔超薄的MnO2納米片的納米片的CMnO2復(fù)合材料，這樣有利于電荷復(fù)合材料，這

12、樣有利于電荷轉(zhuǎn)移和電解質(zhì)離子在電極材料孔隙內(nèi)部遷移。轉(zhuǎn)移和電解質(zhì)離子在電極材料孔隙內(nèi)部遷移。CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析KF和和CMnO2-2的的電極在電極在1M的硫酸鈉的硫酸鈉溶液中通過速率為溶液中通過速率為100mv每秒的連續(xù)每秒的連續(xù)循環(huán)掃描循環(huán)掃描800個(gè)周期個(gè)周期下穩(wěn)定性的研究，下穩(wěn)定性的研究，CMnO2-2在在100mv每秒的速度每秒的速度下循環(huán)下循環(huán)800次的次的CV曲線如插圖曲線如插圖循環(huán)次數(shù)對(duì)電容量的影響循環(huán)次數(shù)對(duì)電容量的影響在在CMnO2-2的電極呈現(xiàn)進(jìn)直線，表明其良好的電容性能。相比之下的電極呈現(xiàn)進(jìn)直線，表明其良好的電容性能。相比之下KF-聚苯胺

13、聚苯胺電極表現(xiàn)不好的電化學(xué)性能，由于它差的電子導(dǎo)電性。電極表現(xiàn)不好的電化學(xué)性能，由于它差的電子導(dǎo)電性。在實(shí)際應(yīng)用中，循環(huán)性能是決定超級(jí)電容器電極的另一關(guān)鍵因素在實(shí)際應(yīng)用中，循環(huán)性能是決定超級(jí)電容器電極的另一關(guān)鍵因素可得出結(jié)論：可得出結(jié)論： 聚苯胺電極材料在循環(huán)充放電過程中差，因?yàn)榫酆衔镏麈湹难趸€原位點(diǎn)不聚苯胺電極材料在循環(huán)充放電過程中差，因?yàn)榫酆衔镏麈湹难趸€原位點(diǎn)不穩(wěn)定、在充放電過程中由于摻雜導(dǎo)致體積發(fā)生變化和聚合物損壞。穩(wěn)定、在充放電過程中由于摻雜導(dǎo)致體積發(fā)生變化和聚合物損壞。KF-聚苯胺在聚苯胺在800次循環(huán)后電容保留率只有次循環(huán)后電容保留率只有25%，被碳化后，被碳化后，CKF比電容

14、損失了比電容損失了26%，它表明，它表明CKF電極與電極與KF-聚苯胺電極相比在循環(huán)穩(wěn)定性上有了很大的提高。然而聚苯胺電極相比在循環(huán)穩(wěn)定性上有了很大的提高。然而CKF電容電容在在800個(gè)周期后穩(wěn)定只有很快的下降，這可能由于個(gè)周期后穩(wěn)定只有很快的下降，這可能由于CKF的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在100mv每每秒的掃描速率連續(xù)循環(huán)掃描下發(fā)生變化，將秒的掃描速率連續(xù)循環(huán)掃描下發(fā)生變化，將MnO2引入引入CKF，在循環(huán)，在循環(huán)800次后次后CMnO2-2電容只損失了電容只損失了6%，這表明了，這表明了CMnO2-2復(fù)合材料作為超級(jí)電容有復(fù)合材料作為超級(jí)電容有良好的循環(huán)特性良好的循環(huán)特性CMnO2混合復(fù)

15、合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析結(jié)論：電流密度隨結(jié)論：電流密度隨溫度升高而增大。溫度升高而增大。此外，在高溫下高此外，在高溫下高電勢對(duì)電流的影響電勢對(duì)電流的影響會(huì)偏離，這說明增會(huì)偏離，這說明增加溫度可能會(huì)導(dǎo)致加溫度可能會(huì)導(dǎo)致在充電過程中發(fā)生在充電過程中發(fā)生顯著的電化學(xué)極化。顯著的電化學(xué)極化。溫度對(duì)電容量的影響溫度對(duì)電容量的影響（橫坐標(biāo)：電壓（橫坐標(biāo)：電壓 縱坐標(biāo)：電流密度）縱坐標(biāo)：電流密度）CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析展示出有代表性的展示出有代表性的CKFMnO2復(fù)合材復(fù)合材料在料在1.0A/g的電流密的電流密度的度的GCD曲線，曲線，由此可看出，電極的由此可看

16、出，電極的充放電曲線幾乎對(duì)稱充放電曲線幾乎對(duì)稱呈現(xiàn)三角形，表明在呈現(xiàn)三角形，表明在不同溫度下的良好電不同溫度下的良好電容特性。容特性。隨溫度增加，放電時(shí)隨溫度增加，放電時(shí)間增大間增大CMnO2混合復(fù)合材料電化學(xué)分析混合復(fù)合材料電化學(xué)分析結(jié)論：很明顯比電容隨結(jié)論：很明顯比電容隨測試溫度呈線性增加，測試溫度呈線性增加，比電容在比電容在55可達(dá)可達(dá)409F/g比在比在25下下289F/g增加了增加了41.5%，它表明測試溫度對(duì)電極它表明測試溫度對(duì)電極材料的比電容有很大影材料的比電容有很大影響，上述結(jié)果還表明，響，上述結(jié)果還表明，高溫可提高離子在電解高溫可提高離子在電解質(zhì)中的遷移速率。因此，質(zhì)中的遷移速率。因此，離子可能更容易穿透進(jìn)離子可能更容易穿透進(jìn)入內(nèi)表面的入內(nèi)表面的MnO2促進(jìn)促進(jìn)更多的電荷積累和轉(zhuǎn)移。更多的電荷積累和轉(zhuǎn)移。比電容與實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系比電容與實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系結(jié)論結(jié)論 綜