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本文用化学液相法、高温分解法和低温固相法制备了超级电容器用二氧化锰材料。用液相共沉积法制备了掺杂Sn、Cr、Bi等元素的MnO2材料。采用XRD、SEM及EDX对物相和形貌进行表征,结合循环伏安、交流阻抗和恒流充放电技术研究了掺杂二氧化锰电极材料和掺Sn MnO2/C非对称超级电容器的电化学性能。主要结论如下:
(1)研究了涂敷法制备电极和制膜法制备电极对MnO2电极性能的影响,通过比较,发现涂敷法更有利于充分利用活性物质,涂敷法制备的电极性能优于制膜法。测试了MnO2电极在Na2SO4、K2SO4、NaF、NaCl(浓度均为0.5mol/L)电解液中的电化学性能,其中在Na2SO4电解液中性能最佳;
(2)研究了化学液相法、高温分解法和低温固相法制备二氧化锰材料,其中用化学液相法制备的MnO2具有最好的电化学性能,比电容达到151F·g-1;
(3)制备的掺杂Sn、Cr、Bi的MnO2均为具有层状结构的δ-MnO2。掺杂的Sn部分以氧化物的的形式包覆在二氧化锰表面,部分存在于δ-MnO2层间。掺杂Cr和Sn对二氧化锰电极材料的形貌影响不大,仍为细小棒条粘结而成的氧化锰花球,而掺Bi则改变了材料形貌,变成了圆片堆叠状;
(4)研究了掺杂元素比例对材料电化学性能的影响。当Sn:Mn,Cr:Mn和Bi:Mn的摩尔比分别为1:50,1:50和1:25时,在200
mA·g-1电流密度下,分别得到最大的比电容:293.1 F·g-1,270.2 F·g-1,274.9 F·g-1,比未掺杂分别提高了64.9%,52%,54.6%。掺Sn MnO2具有最高的比电容和最好的循环性能。掺Ni对MnO2的比电容大小影响不大;
(5)以掺Sn MnO2为正极,活性炭电极为负极,研究了掺Sn
MnO2/C非对称超级电容器的性能。掺Sn MnO2/C非对称超级电容器的比电容约为60F/g,能量密度为27Wh/kg。经过8000次充放电测试,容量衰减<20%,放电电压降<0.3v,表明掺Sn MnO2为正极的超级电容器可逆性良好,循环寿命长,电化学活性高,大电流放电特性好。