摘 要

超级电容器，又称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、工作温度范围宽、循环寿命长、以及环保等优点，使其在电动汽车、移动通讯、工业领域、国防科技等方面具有广阔的应用前景，目前已成为国际上研究的热点。

氧化锰由于具有与RuO₂相似的性质，并且资源丰富，价格便宜，环境友好，而被认为是RuO₂最理想的替代品。氧化锰的赝电容特征很大程度上受限于其较差的导电性和易团聚等问题。考虑到阳极电沉积法方法简单、恒电流沉积法可逆性好的优点，为了提高氧化锰材料的电导性，保证电极材料的高效利用，本论文采用阳极电沉积法在碳布上恒电流电沉积MnO₂，并通过电化学掺杂铁对MnO₂进行改性，来探究Fe-MnO₂/碳布电极的性能是否强于MnO₂/碳布电极的超电容性能，并进一步探究MnO₂沉积厚度、铁掺杂浓度与超电容性能之间的关系，从而提出更有效的改进方法，为获得比容量高、倍率性能好、循环寿命长的柔性氧化锰基电极奠定科学基础。

研究结果表明，Fe-MnO₂/碳布电极相较于MnO₂/碳布电极，其面积电容要大得多，倍率性能要更好，但循环寿命有所下降。在本实验研究范围内，随着MnO₂沉积时间增加，MnO₂沉积厚度增加，电极材料的面积电容增大，但沉积时间增加到18 min时，倍率性能会明显下降，沉积MnO₂14 min样品的面积电容较大，倍率性能最好。随着铁掺杂浓度升高，晶体的活性位点增多，电极材料的面积电容增大，掺铁0.005 M样品(浓度最大)的倍率性能最好。

关键词：超级电容器；氧化锰；电沉积法；铁掺杂

Abstract

Supercapacitor, also known as electrochemical capacitor, is a kind of new type energy storage devices between traditional capacitor and battery. It has the advantage of high power density, long cycle life, wide working temperature range, and environmental protection, etc ,which makes it has important and wide application prospects in the information technology, consumer electronics, electric vehicles, aerospace and national defense science and technology ,and now it has become a research hotspot in the world.

Since the nature of the manganese oxide is similar to the RuO_2, and manganese oxide is rich in natural resources, cheap, environmentally friendly, and is considered the most ideal substitute of RuO₂.Constraint capacitance characteristics of manganese oxide is largely limited by its poor electrical conductivity and reunion. Considering the anodic current deposition method is simple and constant current deposition has advantage of good reversibility, in order to improve the conductivity of manganese oxide material, and ensure the efficient use of electrode materials, this paper electrodeposits MnO₂ on the carbon cloth by employs the anode electric deposition and constant current electro deposition .MnO₂ is modified by doping iron chemically ,to explore whether super capacitor performance of Fe-MnO₂/carbon cloth electrode is better than that of MnO₂/carbon cloth electrode ,or not, and to further explore the relationship between the sedimentary thickness of MnO₂,iron doping concentration and super capacitor performance , thus more effective improvement methods are put forward ,and the scientific foundation is laid for obtaining flexible manganese oxide electrodes with high specific capacity, high rate performance, long cycle life.

The results showed that, Fe-MnO₂/carbon cloth electrode‘s areal capacitance is much larger, rate capability is better, the cycle life decline yet, compared to those of MnO₂/carbon cloth electrode. In the range of the experimental conditions, as the time of depositing MnO₂ increased, areal capacitance of the electrode materials increased, rate capability of the electrode materials depositing MnO₂ for 14 min is best. As the iron doping concentration increased, areal capacitance of the electrode materials increased, rate capability of the electrode materials whose iron doping concentration is 0.005 M, the largest concentration, is best.

Key Words: Supercapacitor; Manganese oxide; Electric deposition; iron doping

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 超级电容器概述 1

1.2.1 超级电容器的储能机理 2

1.2.2 超级电容器的特点及应用 3

1.2.3 超级电容器的研究现状 5

1.3 超级电容器电极材料的研究 6

1.3.1 碳基电极材料 6

1.3.2 金属氧化物电极材料 6

1.3.3 导电聚合物电极材料 7

1.4 二氧化锰电极材料的研究进展 7

1.4.1 二氧化锰的结构 7

1.4.2 二氧化锰作电容器材料的反应机理 7

1.4.3 二氧化锰电极材料的制备 7

1.4.4 二氧化锰电极材料的改性 8

1.5 本论文研究的内容及意义 9

第2章 实验方法与测试 10

2.1 实验药品与仪器 10

2.2 实验过程 10

2.2.1 MnO₂/碳布样品的制备 10

2.2.2 Fe-MnO₂/碳布样品的制备 11

2.3 扫描电镜测试 11

2.4 电化学性能测试 11

2.4.1 循环伏安测试 12

2.4.2 恒电流充放电测试 12

2.4.3 交流阻抗测试 12

2.4.4 循环性能测试 12

第3章 沉积时间对二氧化锰电化学性能的影响 13

3.1 实验结果与讨论 13

第4章 掺铁浓度对二氧化锰电化学性能的影响 20

4.1 实验结果与讨论 20

结 论 26

参 考 文 献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1引言

随着社会经济和科技的发展，世界对能源的巨大需求，化石能源短缺和其造成的环境问题，使得电动交通工具（如电动汽车和混合动力汽车）逐渐兴起。随着电动交通工具的兴起，人们对储能装置的要求不断提高，使得研究向寻找到一种新型、高效、实用的储能装置方向进行。而就在这时，超级电容器应运而生，其电荷存储能力比传统电容器高得多，并且功率密度与电池相比要高，是一种新型的储能器件。美国《探索》杂志认为在一些领域超级电容器会取代传统的蓄电池，并高度肯定了超级电容器在储能领域方面的重要性，认为其是能量存储领域中一项革命性的发展^[1]。

纵观超级电容器的历史发展历程，从超级电容器的初步机理研究到现在的商业化的大规模生产，超级电容器的发展经历了一个漫长的过程。从1879年德国物理学家亥姆霍兹发现了电化学双电层界面的性质，提出双电层理论，到了1957年贝克尔经过对高比表面积活性碳的研究，提出了超级电容器可以应用到储能装置方面，而在1979年NEC公司在其电动汽车的启动系统中应用了超级电容器，发现其展示出很好的性能，并开始大规模的生产，其商业应用阶段才正式开始，直到近十几年，随着其材料的深入研究，技术的不断突破，产品的性能得到稳步提高，超级电容器这才开始大规模的产业化^[2-3]。