過(guò)渡金屬氧化物與ACF復(fù)合電極的制備及電性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種介于電容器與蓄電池之間的新型儲(chǔ)能器件，它能夠提供比普通電容器更高的比能量，比電池更高的比功率和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，并且更耐溫和免維護(hù)，因而具有極大的應(yīng)用前景。 超級(jí)電容器的核心是電極材料，通常包括多孔碳和過(guò)渡金屬氧化物等。其中多孔碳電極的比容量相對(duì)較小，氧化時(shí)易發(fā)生腐蝕，內(nèi)阻較大，但放電性能優(yōu)于金屬氧化物；過(guò)渡金屬氧化物利用氧化還原反應(yīng)獲得準(zhǔn)電容來(lái)存儲(chǔ)能量，比電容大。若將多孔碳材料與金屬氧化物有效結(jié)合，就可充分發(fā)揮兩

2、種材料的優(yōu)勢(shì)，極大改善電容器的電性能。 本文用檸檬酸溶膠凝膠法制備了幾種過(guò)渡金屬氧化物與活性碳纖維(ACF)復(fù)合作為超級(jí)電容器電極材料，考察了Ni、Mn、W、Fe等金屬氧化物的不同組成、負(fù)載量、制備條件等因素對(duì)電性能的影響。以1.5mol/L的KOH為電解液，工作電位為0.9V，用恒電流法和循環(huán)伏安法，分別研究了Ni/Mn、Ni/W的兩元及Ni/Mn/Fe、Ni/Mn/W三元金屬氧化物與ACF復(fù)合體系的電化學(xué)性能。 對(duì)N

3、i/Mn/ACF體系，通過(guò)用掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)和等溫吸附等方法測(cè)定了復(fù)合材料的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和比表面積。結(jié)果顯示金屬氧化物是無(wú)定形結(jié)構(gòu)，呈微小顆粒分布在ACF表面，粒徑約0.1～1μm，比表面積相比ACF有一定程度的降低。循環(huán)伏安和恒電流充放電測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合電極材料比Ni/ACF或Mn/ACF體系，具有更好的電化學(xué)可逆性和理想的電化學(xué)電容行為。在鎳和錳的摩爾比為3：1、400℃下熱處理1小時(shí)、鎳和錳的負(fù)載量

4、為3.9％時(shí)，充放電流為5mA時(shí)，NiO/MnO2/ACF復(fù)合電極的比容量可達(dá)290.2F/g，相比之下活性碳纖維的比容量?jī)H為125F/g。該復(fù)合電極的循環(huán)穩(wěn)定性也比ACF有所提高。 對(duì)Ni/W/ACF體系，在鎳和鎢的摩爾比為3：1、400℃下熱處理1小時(shí)、鎳和鎢的負(fù)載量為3.5％時(shí)，充放電流為5mA時(shí)，復(fù)合電極的比容量可達(dá)239.1F/g。相比Ni/ACF和W/ACF體系，其比容量和循環(huán)穩(wěn)定性都有所提高。 在兩種金屬氧

5、化物與ACF復(fù)合的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步研究了NiO/MnO2/Fe2O3、NiO/MnO2/WO3三種金屬氧化物與活性碳纖維復(fù)合電極的制備及電性能。 對(duì)Ni/Mn/Fe/ACF體系，發(fā)現(xiàn)在5mA下充放電，鎳、錳、鐵摩爾比為1：1.818：0.182，550℃下熱處理1小時(shí)，其金屬的負(fù)載量為4.3％時(shí)，復(fù)合電極的充電比容量為205.7 F/g，但是充放電效率很低，有可能是鐵電極在堿性溶液中易鈍化、自放電嚴(yán)重，從而限制了其在鐵蓄電池中的

6、廣泛應(yīng)用。 對(duì)Ni/Mn/W/ACF體系，當(dāng)充放電流為5mA，鎳、錳、鎢的摩爾比為3：0.75：025，400℃下熱處理1小時(shí)，其金屬的負(fù)載量為4.5％時(shí)，復(fù)合電極的充電比容量為172 F/g，且其充放電效率很高。 上述結(jié)果表明：三種金屬氧化物與ACF復(fù)合，沒(méi)有兩種金屬氧化物與ACF復(fù)合制備的電極性能優(yōu)良。其中以NiO/MnO2與ACF制備的復(fù)合電極材料效果最好。這可能是因?yàn)镹i和Mn都是過(guò)渡金屬元素，且在元素周期表中位