高导电性二氧化锰基电极材料的制备及其在超级电容器中的应用

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大的可逆电容和良好的倍率性能对二氧化锰(MnO2)电极材料是至关重要的,但是目前MnO2的导电性和可充性并不是十分理想,已被证明很难拥有大的倍率性能。本文以二氧化锰为基底材料来制备超级电容器正极材料,通过探索在MnO2中掺杂不同的过渡金属离子或将其与聚苯胺复合的方法来改善二氧化锰的导电性、可充性、比电容和倍率性能。本文的具体内容如下:(1)通过化学沉淀法合成了Cu2+、Co2+、Ni2+掺杂的MnO2,结果表明掺杂可以提高MnO2电导率。通过使用Co2+、Ni2+掺杂MnO2使得MnO2颗粒尺寸明显变小,获得分布相对合适的孔径,且晶体中结晶水的含量也显著增加,所有这些特性的改变都有利于提高二氧化锰的本征电导率。同时,掺杂还引起了MnO2晶格的缺陷,增加了其空穴数量。结果还表明金属离子掺杂的MnO2比未掺杂的MnO2显示出更好的倍率性能。特别是Ni2+掺杂的MnO2表现出最佳的倍率性能,即使在8 A g-1时,Ni2+掺杂的MnO2仍然具有高达234.0 F g-1的比电容,远大于MnO2在1 A g-1(仅173.6 F g-1)时的比电容。总之,掺杂是改善MnO2导电性能和倍率性能的有效方法。(2)首先制备了α、β、δ、λ四种不同晶型的MnO2,然后通过循环伏安法对材料电化学性能进行表征,在扫描速率为1 mV s-1时,α、β、δ、λ四种不同晶型MnO2的比电容分别是248.7、105.6、203.5和89.4 F g-1。然后将电化学性能最佳的α-MnO2与苯胺复合制备出性能优良的α-MnO2/PANI复合物。通过扫描电镜(SEM)、循环伏安法(CV)、计时电位法(GCD)和电化学交流阻抗(EIS)对材料进行了表征。结果表明α-MnO2/PANI复合物表现出比纯α-MnO2、PANI更好的电化学性能,在电流密度为0.5 A g-1时α-MnO2/PANI复合物比电容高达790.0 F g-1,而α-MnO2、PANI的比电容分别为103.5 F g-1和339.1 F g-1,这表明将二氧化锰和聚苯胺复合后其电化学性能得到了显著的提升。
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