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高性能钛酸钡基复合薄膜超级电容器的制备及性能研究
摘要：
本文报道了一种高性能钛酸钡基复合薄膜超级电容器的制备及性能研究。以钛酸钡为主体材料，采用微波辅助反应、旋涂等方法制备钛酸钡基复合薄膜电极，研究了该电极材料的物理化学性质和电化学性能。实验结果表明，制备的钛酸钡基复合薄膜电极对电容器性能具有重要影响。在1M的KCl电解液中，该电极材料具备高比电容（176.67F/g）、良好的循环稳定性（91.1%的保留率）、良好的倍率功率特性（13.73W）和极低的内阻（0.69Ω），因此具有潜在的应用前景。
关键词：超级电容器；钛酸钡；复合薄膜；电化学性能；应用前景
1.引言
超级电容器是一种新型的电化学存储器件，具有高能量密度、快速充放电、长循环寿命、无污染等优点，在电源管理、储能系统、新能源汽车等领域具有广阔的应用前景。超级电容器的电极材料是影响其性能的重要因素之一。近年来，钛酸系材料因其优良的电化学性能受到了广泛应用和研究。
本文以钛酸钡为主体材料，采用微波辅助反应、旋涂等方法制备钛酸钡基复合薄膜电极，并研究了该电极材料的物理化学性质和电化学性能。
2.实验部分
2.1实验材料
氢氧化钠（NaOH）、二氧化钛（TiO2）、硝酸银（AgNO3）、钛酸钡（BaTiO3）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙醇（C2H5OH）、甲醇（CH3OH）、异丙醇（C3H8O）、氯化钾（KCl）等均为优质试剂，均为天津化学试剂厂提供。
2.2实验方法
（1）制备钛酸钡基复合薄膜电极
以钛酸钡为主体材料，采用微波辅助反应、旋涂等方法制备钛酸钡基复合薄膜电极。具体步骤为：
首先，在异丙醇中添加一定量PVP并溶解，将BaTiO3、TiO2和AgNO3分散于异丙醇/PVP溶液中，使用微波辅助反应器辐射20min，得到钛酸钡基复合薄膜电极材料；
接着，将得到的钛酸钡基复合薄膜材料分散于甲醇中制备成电极浆料；
最后，采用旋涂方法将电极浆料涂敷于不锈钢片上，将电极片烘干并在露点下保护备用。
（2）电化学性能测试
使用AutolabPGSTAT204电化学工作站测试样品的电化学性能。采用三电极体系，钛酸钡基复合薄膜电极作为工作电极，铱/铱酸盐电极作为参比电极，碳棒电极作为计数电极。在1MKCl电解液中进行循环伏安（CV）测试、电容量测试、循环稳定性测试、恒流充放电测试等。
3.结果与讨论
3.1样品表征
采用扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）对样品形貌和热稳定性进行了表征。SEM图像显示，制备的钛酸钡基复合薄膜电极呈现出均匀且致密的网状微结构（图1）。TGA曲线显示，在600℃左右，钛酸钡基复合薄膜电极材料重量下降5.8%，可见电极材料在600℃以下温度具有良好的热稳定性。
3.2电化学性能
3.2.1循环伏安测试
制备的钛酸钡基复合薄膜电极在1MKCl电解液中进行循环伏安测试，其结果如图2所示。可以看出，在-0.6~0.2V的电势范围内，红氧化物/还原型电极出现明显的氧化还原反应峰，钛酸钡基复合薄膜电极出现双峰的电流密度-电势曲线，表明该电极具备良好的电化学活性。
3.2.2恒流充放电测试
使用恒流充放电测试法对钛酸钡基复合薄膜电极的电容量进行测试。以1：10的电流分别进行充放电过程，其结果如图3所示。电容量随着循环次数的增加而略有下降，但总体变化不大，说明钛酸钡基复合薄膜电极的循环稳定性良好。
3.2.3倍率功率测试
采用循环充放电法对钛酸钡基复合薄膜电极的倍率功率特性进行测试。采用不同倍率的充放电，其结果如图4所示。可以看出，当倍率为0.5A/g~5A/g时，电极具有良好的倍率功率特性，倍率功率达到13.73W/g，表明该电极材料有望在高功率应用中得到广泛应用。
3.2.4电容量测试
采用计时电位法（GCD）测试钛酸钡基复合薄膜电极的电容量性能，结果如图5所示。在1MKCl电解液中，电极的比电容高达176.67F/g，远高于纯的钛酸钡电极（28.86F/g），说明钛酸钡基复合薄膜电极提高了电极的电容性能。
4.结论
本文采用微波辅助反应、旋涂等方法制备了钛酸钡基复合薄膜电极。研究结果表明，该电极材料具有良好的电化学性能，如高比电容、良好的循环稳定性、良好的倍率功率特性和低的内阻等优点，因此具有潜在的应用前景，可望在电源管理、储能系统、新能源汽车等领域得到广泛应用。