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超级电容器是近年来出现的一种新型的能量存储和转换器件,性能介于传统电容器和电池之间,具有功率密度大、循环寿命长、工作温度范围广、无污染等优点,在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空国防等领域有着广阔的应用前景。根据储能原理,超级电容器可分为双电层电容和法拉第电容,当前研究热点是其电极材料,包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物。
本论文首次以高锰酸钾为氧化剂,采用氧化聚合苯胺的方法,一次直接制备了聚苯胺/二氧化锰复合物。考察了聚合工艺条件(包括氧化剂与苯胺的比例、酸度等)对聚苯胺/二氧化锰复合材料的超电容性能的影响。分别采用:TG分析所制得的复合材料中二氧化锰的含量;SEM观察所制得的复合材料表面形貌;XRD测试了复合材料的微观结构;分别在0.5mol/L H2SO4和1mol/L Na2SO4电解液中,以饱和甘汞电极为参比电极对复合材料进行了循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学性能的测试。
实验结果表明:复合材料中二氧化锰为无定形结构,二氧化锰的加入提高了聚苯胺的热稳定性。本文研究了盐酸浓度对产物性能的影响,无酸情况下制得的复合材料中二氧化锰含量可高达68%,循环性能也最优,1000次循环后容量基本无衰减,但容量较低;随着盐酸浓度的增加,复合材料中二氧化锰含量逐渐减少,循环性能不太稳定,但容量逐渐增大。当反应溶液中盐酸浓度为1mol/L时,二氧化锰含量仅为2.58%,复合材料的比电容此时最高,在0.5mol/L硫酸电解液中高达475F/g,明显高于单独的聚苯胺的比电容。
本文还研究了反应物比例对产物性能的影响,随着高锰酸钾物质的量的增加,制得的复合材料的比电容先增大后减小,当高锰酸钾与苯胺的物质的量之比为1:2时,得到的复合材料的超电容性能最好,在反应溶液中盐酸浓度为0.1mol/L时,二氧化锰含量高达59.2%,复合材料在1mol/L硫酸钠电解液中的比电容可达210F/g,明显高于单独的二氧化锰的比电容,循环性能也有所提高。
本论文还尝试提出了聚苯胺和二氧化锰复合材料的赝电容机理,同时对不同方法制备的聚苯胺的超电容性能进行了比较。