超級電容器電極材料MnO2的合成及性能研究

蔡 敏（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系，廣西 河池 547000）

超級電容器電極材料MnO2的合成及性能研究

蔡 敏
（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系，廣西 河池 547000）

以MnSO4和KMnO4為原料，采用密閉微波消解的方法合成了MnO2材料，并研究了其超級電容性能。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）及充放電測試等手段對材料的形貌、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。測試結(jié)果表明，密閉微波消解法合成的MnO2材料的比電容為233.1F·g-1，在0.5A·g-1的測試電流條件下循環(huán)100次后比容量保持率為84.8%，說明材料具有較好的超電容性能。

MnO2；合成；性能

超級電容器（電化學(xué)電容器）是一種新型儲能元件，因具有高比電容、寬工作溫度、長使用壽命、循環(huán)效率高、無記憶效應(yīng)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)。影響超級電容器電化學(xué)性能的一個(gè)重要因素是電極材料［1-2］，目前可用于電極材料的主要有過渡金屬氧化物、碳材料及導(dǎo)電聚合物等，其中過渡金屬氧化物具有較大的法拉第贗電容。MnO2資源豐富，價(jià)格低廉，比電容較高，是一種理想的電極材料，采用微波密閉消解的方法快速反應(yīng)，可得到具有較好電化學(xué)性能的電極材料。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：MnSO4、KMnO4（均為分析純）。

儀器：恒溫水浴鍋，磁力攪拌器，真空干燥箱，XT-9900A型智能微波消解儀，BT2013A-LAND 電池測試系統(tǒng)，F(xiàn)EI Quanta FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡，Rigaku D/max 2500v/pc型X射線衍射儀。

1.2 樣品的合成

準(zhǔn)確稱量5.1g的MnSO4和3.2g的KMnO4，分別用100mL蒸餾水溶解后，攪拌加熱至微沸，以2 滴·s-1的速度將KMnO4溶液滴加入其中，繼續(xù)攪拌反應(yīng)60min，抽濾、洗滌，100℃干燥12h，得到MnO2，記為A樣。按照同樣的配比將MnSO4和KMnO4混合后，倒入微波消解罐中，在3MPa條件下微波消解反應(yīng)15min，結(jié)束后取出微波消解罐冷卻至常溫，記為B樣。

1.3 樣品的表征和測試

1.3.1 樣品表征

采用FEI Quanta FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀形貌。

采用Rigaku D/max 2500v/pc型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行物相分析。測試中以Cu-Κα1為靶材，λ=0.15406nm，管電壓為40kV，管電流為30mA，掃描范圍為5°～90°，掃描步長為0.02°，步進(jìn)速度為10°·min-1。

1.3.2 充放電性能測試

按7∶2∶1的質(zhì)量比將樣品、乙炔黑、聚偏氟乙烯（PVDF）充分混合，滴加適量丙酮進(jìn)行磁力攪拌后得到糊狀物，用涂布棒將糊狀物均勻涂在面積約1.2cm2的泡沫鎳上壓成電極片，在100℃條件下烘干10h。將2片電極片組裝成對稱的扣式電容器，以1mol·L-1的Na2SO4溶液為電解液，在BT2013ALAND 電池測試系統(tǒng)上進(jìn)行充放電測試。

2　結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

圖1為MnO2的掃描電鏡圖。從圖1中可看出，常壓反應(yīng)條件下的MnO2顆粒粒徑大小在3μm左右，與微波消解反應(yīng)得到的樣品相比，粒徑較大。通過對比可以看出，在微波加熱和加壓反應(yīng)條件下，生成顆粒較小的樣品，有利于電解液的滲透和縮短電子傳輸?shù)木嚯x，從而提高電化學(xué)性能。

圖1　樣品的SEM圖

2.2 XRD分析

圖2為樣品A和樣品B的XRD譜圖。圖譜經(jīng)與JCPDS44-0141標(biāo)準(zhǔn)卡對比可知，所得樣品的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡基本一致，說明密閉微波消解反應(yīng)的方法沒有改變MnO2的晶型結(jié)構(gòu)。

圖2　樣品A和樣品B的XRD譜圖

2.3 電化學(xué)性能測試

圖3為樣品A和樣品B的首次充放電曲線圖和循環(huán)性能曲線圖。合成樣品在以1mol·L-1的Na2SO4溶液為電解液，測試電流為0.5A·g-1、電壓范圍為0～0.9V的充放電測試條件下進(jìn)行測試。根據(jù)比電容計(jì)算公式C=I·Δt/（m·ΔV）（I為測試電流，Δt為充電或放電時(shí)間，m為樣品質(zhì)量，ΔV為充放電電壓范圍）。由圖3可知，樣品A的首次比電容為146.8F·g-1，而樣品B的首次放電比電容為233.1F·g-1，有較大的提高。

樣品A在充放電循環(huán)100次后容量保持率為56.8%，比電容有較大的衰減。而樣品B在相同的循環(huán)次數(shù)條件下，比電容保持率為84.8%，有較大的提高。測試結(jié)果充分說明微波消解合成法能夠有效地減少M(fèi)nO2團(tuán)聚現(xiàn)象，樣品粒徑的減小增加了其與電解液的充分接觸，較好地改善了樣品的電化學(xué)性能。

圖3　樣品A和樣品B的首次充放電曲線圖

圖4　樣品A和樣品B的循環(huán)性能曲線圖

3　結(jié)論

采用密閉微波消解的方法在較短的時(shí)間內(nèi)合成了粒徑較小、外觀形貌良好的MnO2電極材料。對樣品進(jìn)行表征和檢測的結(jié)果表明，該材料的結(jié)晶度良好，衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)卡基本一致。在0.5A·g-1、0～0.9V的測試電流條件下，MnO2電極材料的首次放電比電容為233.1F·g-1，循環(huán)100次后比電容保

持率為84.8%，與普通合成方法得到的樣品相比有了較大的提高。

［1］ 萬厚釗，等. MnO2基超級電容器電極材料［J］.化工學(xué)報(bào)，2013，64（3）：801-813.

［2］ 郭永興，等. 超級電容器新型復(fù)合電極材料MnO2/活性MCMB的研究［J］.電子元件與材料，2010，29（5）：41-44.

［3］ 曲江英，等. 還原氧化石墨烯/Mn3O4納米復(fù)合材料的合成及其在超級電容器中的應(yīng)用［J］.新型碳材料，2014，29（3）：186-192.

［4］ 汪建德，等.三維還原氧化石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料的制備及其超級電容性能［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：90-98.

Synthesis and Performance Research on MnO2Super Capacitor Electrode Materials

CAI Min
（Department of Natural Resources Engineering， Guangxi Modern Polytechnic College， Hechi 547000， China）

With MnSO4and KMnO4as raw material， the MnO2was synthesized by closed microwave digestion， the performance was researched by SEM，XRD and charging and discharging test. The test result showed that the specific capacitance of MnO2was 233.1F/g on 0.5A/g， and kept at a rate of 84.8% after 100 cycle times. The materials had high specific capacitance and good cycle stability.

MnO2； synthesis； performance

TQ 137.1+2；TM 911

A

1671-9905（2016）07-0011-02

2016年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（KY2016YB749）

蔡敏（1984-），男，廣西河池人，碩士，講師，主要從事化工教學(xué)和新能源材料研究工作，E-mail：yanjiusheng2006010@163.com

2016-05-11