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二氧化锰/球形活性炭复合材料在有机系超级电容器中的应用
作者:管理员    发布于:2017-12-13 09:05:06    文字:【】【】【

  二氧化锰/球形活性炭复合材料在有机系超级电容器中的应用蔡敏a李胜英b李泽胜c王红强李庆余b(a广西现代职业技术学院资源工程系河池;b广西师范大学化学化工学院桂林541004;c中山大学光电材料与技术国家重点)。C为由MSAC球面上Mn2的TEM图片。由C可见,Mn2的粒径在80~160nm之间。为了防止Mn2在活性炭上大量堆积而影响其双电层容量,本研究控样品的SEM图制Mn2在复合物中的比例不高于5.与传统的Mn2/C复合材料制备方法不同的是,本文采取了浸渍法在MSAC负载Mn(NO3)2,然后采用热分解的方法制备Mn2/MSAC复合材料,如所示。所制备的Mn2纳米尺寸小,在MSAC分布均匀,主要归功于以下3点:首先,是MSAC的高比表面积,这在有效吸附Mn(NO3)2反应物粒子上是至关重要的;其次,MSAC的规则球面可以提供宽广的界面,有助于纳米Mn2的生长;此外,MSAC表面上的含氧官能团在纳米Mn2的形成以及均匀分散上也起到了重要的作用。

  表1 /MSAC的表面元素质量分数(基于EDS面扫描)MnO2/MSAC复合物合成示意图Fig. 2.3电极的电化学性能测试为了研究Mn2/MSAC复合物电极在1mol/LLiPF6有机电解液组装成扣式电容器,将所组装的超级电容器进行了恒流充放电、循环伏安和电化学阻抗下电化学性能测试。

  为Mn2/MSAC复合电极和MSAC电极在电流密度2x10-3A/cm2下的充放电曲线。从可以看出,采用LiPF6/(DMC+EC)有机电解液的Mn2/MSAC电容器和MSAC电容器的工作电压均可达3.0V,大大拓宽了超级电容器在水系电解液中工作电压为1V左右的限制,极大地提高电容器的能量密度。二者的充电曲线与放电曲线呈现出典型的三角形对称分布,放电曲线中电位-时间呈线性关系,表现出理想的电容特性。根据放电曲线计算所得,由单纯MSAC电极组装的电容器循环比容量为线图Mn2/MSAC电极的循环伏安曲线167F/g,Mn2/MSAC复合电极组装的电容器循环比容量为186F/g.经过ICP元素定量分析,由所测定皿元素含量计算得皿必2坐3人0复合物中皿必2的质量分数为4.62.通过扣去皿3人0的比容量,推算出复合材料中Mn2的比容量高达578F/g,其相应的能量密度为138.6Wh/kg(基于活性物质量)。此外,Mn2/MSAC复合电极的电压降(AF)仅为0.12V,比以往报道的有机系金属氧化物电容器低得多,说明Mn2/MSAC电容器同时具有良好的功率性能,主要归功于碳材料的良好导电性和纳米Mn2在复合物中的均匀分布。

  为Mn2/MSAC复合物电容器在不同的扫描速度下的循环伏安曲线。从可以明显看出,在几种扫描速率下该复合材料均表现出良好电容特性:在~3.0V电位窗口范围内CV图接近矩型,且关于零电流线基本对称,无明显氧化还原峰。特别是在80mV/s高扫描速率下曲线的矩型度仍然良好,进一步说明该复合电有理想的功率特性。

  为MSAC电极和Mn2/MSAC复合物电极在开路电位下的交流阻抗图谱。从可以看出,2个电极的交流阻抗曲线均是由低频区的一接近90°直线和高频区的一规则半圆组成,中频区没有出现由于扩散引起的45°斜线,这表明该材料在LiPF6/(DMC+EC)有机电解液具有良好的电容特征。对比2条曲线可知,二者的电解液电阻Rs基本相等而且将近零值,2种材料与LiPF6电解液具有良好的兼容性;MSAC电极的Rf值约26ft,说明该活性炭存在一定的赝电容,主要原因是MCMB在用KOH活化处理后所得到的MSAC表面含有丰富的含氧官能团,是使活性炭赝电容形成的主要因素。而MnO2/MSAC复合物电极的RF(约37ft)较MSAC电极的略高,主要是由金属氧化物本身低导电性所决定的。综上所述,在MSAC上复合MnO:,提高材料比容量的同时并没有明显增加材料的内阻,说明所制备的MnO:/MSAC复合物同时具有较高的能量密度和良好的功率性能。

  循环寿命是表征超级电容器性能的一个重要因素。本文用2x10-3A/cm2的电流对复合物电容器进行恒流循环充放电,为基于Mn2/MSAC复合物电极材料的超级电容器的比容量随循环次数的变化关系图。由可知,在前200次循环中容量下降的较快,此后容量趋于稳定,00~1000次循环前后容量衰减率不到6.此外,在循环过程中,200次循环后充放电的库仑效率(即放电容量与充电容量之比)基本保持在95以上,而且呈现逐步上升现象(如表2所示)。可见,该Mn2/MSAC复合物在1mol/LLiPF6/(DMC+EC)有机电解液中表现出良好的循环稳定性。

  表2 3结论本文以Mn(NO3)2和高比表面积MSAC为原料,采用浸渍法在MSAC上负载Mn(NO3)2,然后采用热分解的方法制备Mn2/MSAC复合物。所得到的Mn2粒径在80 ~160nm之间,在MSAC球面上呈现均匀分布。在1mol/L的LiPF6/(DMC+EC)有机电解液中,复合物电容器的工作电压可达3.0V,电极初始比容量高达186 F/g,同比纯MSAC材料电极呈现出更理想的电容行为,且具有良好的循环稳定性。这些结果表明,该复合材料是一种很有前景的超级电容器电极材料。

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