超級電容器電極材料制備與性能研究

涂凱華 郭成龍 熊楊文晨 徐海益 李 琴

(南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330069)

超級電容器又稱電化學(xué)電容器，是一種介于電池與傳統(tǒng)靜電電容器之間的新型能量儲存器件，是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學(xué)裝置[1-2]。

超級電容器因其具有功率密度高、循環(huán)壽命長、能瞬間大電流快速充放電、工作溫度范圍寬、無記憶效應(yīng)、免維護(hù)、安全、無污染等特點，在電動汽車、不間斷電源、航空航天、軍事等諸多領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，倍受各國政府和科學(xué)家的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前化學(xué)電源領(lǐng)域的研究熱點之一[3-4]。過渡金屬氧化物因具有較高比電容而被廣泛。近年來MnO2引起了廣泛關(guān)注[5-6]。

1 實驗

本文用恒電位沉積法，采用三電極體系在不銹鋼電極上沉積MnO2薄膜，工作電極為制備好的不銹鋼基板電極，輔助電極為碳電極，硫酸錳溶液做電解液，參比電極為飽和甘汞電極(Saturated Calomel Electrode，SCE)，溫度30℃，電壓相對甘汞電極0.9V，參比池與電沉積池之間用飽和氯化鉀-瓊脂鹽橋連接。整個電沉積裝置圖如圖1所示。

在進(jìn)行電化學(xué)沉積吋，需要對不銹鋼樣品進(jìn)行封裝，具體操作如下：從預(yù)磨樣品的非工作面引出導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂封裝樣品，并暴露測試面(1 cm2)。之后在稀鹽酸溶液中超聲除油，依次使用180#、1200#砂紙在水的潤滑作用下預(yù)磨，之后將樣品在酒精中清洗，吹干備用。

沉積過程中保持溫度和電壓恒定。沉積過程中用磁力攪拌機攪拌溶液，電沉積完成后，用去離子水清洗樣，吹干，在50°C烘箱中干燥5h。用分析天平對樣品進(jìn)行稱重分析。電化學(xué)性能測試采用三電極體系，在0.1mol/LNa2SO4溶液中進(jìn)行充放電及循環(huán)伏安測試。

圖1 三電極體系示意圖

2 結(jié)果與討論

圖2為典型的恒電壓沉積時電流與時間的關(guān)系圖。從圖2中可以看出，整個恒電壓電沉積過程中，電流一直比較穩(wěn)定，這說明電沉積過程比較穩(wěn)定，電流密度的波動是有磁力攪拌。在0.9V(vs SCE)的條件下，MnO2被沉積到不銹鋼電極上，所進(jìn)行的反應(yīng)如下：

圖2 恒電位電解I-t曲線

Mn2++ 2H2O → MnO2+ 4H++2e-(3.1)

實驗后不銹鋼電極表面覆蓋了一層暗黃色物質(zhì)，初步說明MnO2應(yīng)該已經(jīng)被沉積到不銹鋼電極表面。

圖3 MnO2電極循環(huán)伏安曲線

圖3是掃描速度為0.05和0.1V下的循環(huán)伏安曲線，可以看出隨掃描速度的增大，比容量減小。掃描速率對實驗結(jié)果的影響很大，隨著掃描速率增大，雙電層充電效應(yīng)增強，不利于反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的測定，而有利于雙層結(jié)構(gòu)、吸附及有機電極反應(yīng)中間產(chǎn)物等方面的研究。從圖中可以看出,不同的掃描速率下,制備的電極的CV曲線均具有較好的矩形特征。在這些掃描速率下MnO2薄膜都呈現(xiàn)出很好的容量特性。電流的響應(yīng)值比較穩(wěn)定，陰極過程和陽極過程基本對稱，其可逆性較好。這說明MnO2納米顆粒的電極反應(yīng)的可逆性保持得較好。還能從圖中看出，MnO2電極的電位窗口仍然較寬，這就保證了所制得的電極材料有較大的容量。但在相同條件下，隨著掃描速率的增加電極的電容和比電容都減小。

圖4 MnO2電極恒流充放電測試曲線

圖4為MnO2電極恒流充放電測試曲線，N分別為20和200的充放電循環(huán)曲線，充放電電流為1mA。在每個充放電過程中電壓隨時間變化線性增加和降低，這是超級電容器典型的充放電特征。

3 結(jié)論

實驗研究了不銹鋼基板的超級電容器電極材料MnO2。用循環(huán)伏安法和恒流充放電法研究了掃描速率對MnO2電極的電化學(xué)性能的影響，測試結(jié)果表明，電壓隨時間呈線性變化，表明參與氧化還原反應(yīng)的電量Q是電壓V的某種連續(xù)函數(shù)，循環(huán)伏安曲線是無明顯的氧化還原峰也驗證了這一點，這說明得到的MnO2具有良好的電容特性。

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