二氧化锰基超级电容器电极材料的研究.doc

二氧化锰基超级电容器电极材料的研究宋姣摘要：超级电容器是一种新型储能器件，具有无污染、可快速充电、比电容大和可循环利用等的优点，应用广泛，引起广大的关注。其中，电极材料是影响超级电容器比电容和稳定性的决定性因素之一，因此电极材料成为了超级电容器研究的重点。二氧化锰具有资源丰富，价格低廉，对环境友好等特点，成为广大研究者关注的超级电容器电极材料。全文主要分为三个部分，第一部分是介绍超级电容器，第二部分介绍超级电容器电极材料，第三部分介绍超级电容器二氧化锰电极材料。结果表明二氧化锰是一种很值得研究的电极材料。关键词：超级电容器;电极材料;二氧化锰随着社会的不断发展，人民的生活水平不断提高，对于能源的需求也越来越大。为了人类社会的可持续发展，绿色能源逐步受到人们的广泛关注。超级电容器作为具有对环境无污染、可以快速充电、比电容大、循环寿命长等优点的储能装置，得到极大的重视。超级电容器以其优异的特性，具有比传统的化学电池更加广泛的用途，可应用于移动通讯、工业领域、国防科技、消费电子、电动汽车等方面。但是，超级电容器能量密度不高限制了其应用领域。超级电容器的组成部件中，电极材料是其电化学性能的重要影响因素之一，因此超级电容器电极材料成为研究的热点。其中，二氧化锰因其价格低廉及其对环境友好等诸多优势成为超级电容器最具有潜力的电极材料之一。1.超级电容器简介超级电容器是一种介于传统电容器与蓄电池之间的，通过极化电解质来储能的新型储能元件,又称为双电层电容器或者电化学电容器等等。该装置可以改变充放电电流以达到快速充放电的效果，可以在很短的时间内完成一次完整的充放电过程。由于其具有瞬时大电流放电功能，使其具有较大的功率密度。超级电容器按其储能原理分为两类[1,2]，一类是双电层电容器，一类是法拉第电容器。双电层电容器是一种利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来存储能量的装置，其电极通常采用高比表面积的碳材料。双电层电容器利用具有多孔结构的电极材料，目前双电层电容主要电极材料是碳电极材料,其充放电示意图如图1所示。法拉第电容（赝电容）是电极材料在电极表面或体相的二维或准二维空间上，发生快速、高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，从而产生不同于双电层电容的电容量。由于化学吸附/脱附或氧化还原反应在整个体相中进行，因而产生的法拉第电容比双电层电容大。目前用于法拉第电容器的电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。图1.双电层充放电示意图[2]超级电容器作为大功率电源，广泛应用于社会经济的各个领域。各发达国家也将对超级电容器性能的研究列为国家重点战略研究项目。我国从80年代开始研究超级电容器。目前，对超级电容器研究成果虽然颇有成效，但整体上看，我国对超级电容器的研究水平仍明显的落后于世界水平。今后我们应该继续开发高性能的电极材料、选择适当的电解液、优化电容器的组装技术，以提高超级电容器的性能[1,5]。2.超级电容器电极材料的研究现状制备高性能超级电容器主要有两个途径：一是增大电极材料的比表面积，从而增大双电层电量；二是提高电极材料的可逆法拉第反应概率，以提高赝电容容量[6]。超级电容器的性能主要由电极材料、电解液及其使用的隔膜决定的，其中电极材料的性能对于超级电容器的影响最大。通过对超级电容器结构的剖析表明:用良好的材料制作成电极，可以很好的提升性能，同时可以拓宽自身的应用范围。目前，用于超级电容器的电极材料主要由[3,4,10]：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。碳材料：碳材料是最早用于制作超级电容器的电极材料，已经有了近60年的发展历史。碳电极材料是双电层电容器电极材料，通过电解液中电荷的分离分别附着在电极上实现电荷的存储，用于超级电容器的碳材料主要有：活性炭、石墨粉、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、玻璃碳等等。金属氧化物材料：金属氧化物的储能主要是通过电极材料与电解液之间发生的氧化还原反应来完成的，此反应产生的电容大于活性炭材料表面的双电层电容，其容量大概是碳材料的容量的10-100倍，具有广阔的发展前景。近年来，金属氧化物作为超级电容器电极活性物质的研究非常火热，其中主要包括氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钌电极材料等等。导电聚合物：导电聚合物也是一种常用的电极材料。导电聚合物作为电化学电容器电极材料具有诸多的优点，比如重量轻、内阻小、比容量高、成本低、充放电时间短、可以按照实际的需要进行分子方面的设计等等，其中最大的优点是可以在高电压下工作，比能量比碳材料大2~3倍，比电容比碳材料大20~200倍，因此引起了研究者们的广泛关注。3.超级电容器二氧化锰电极材料的研究在众多的超级电容器电极材料中，过渡族金属氧化物二氧化锰有着和二氧化钌材料相似的电容特性，并且资源丰富、价格低廉、对环境友善、氧化价态较多、循环寿命较长、电势窗口较宽等优点，并且其理