混合材料在超级电容器中的应用 毕业论文外文翻译

附录 A 英文文献 附录 B 中文翻译 混合材料在超级电容器中的应用 体电化学 J (2010) 14:811816国防工业部 要 ：在目前的研究中，由 尖晶石中去除锂可以获得具有原子范围孔隙的 此，它可以获得有效的赝电容特性。另一方面，残留的锂依然 保存在 极材料的物理特性，形态和比表面积用扫描透射显微镜和氮吸附测量进行研究。用循环伏安法、恒流充放电、阻抗谱等进行了二电极和三电极电池的电化学参数。选用中性 过配置非对称的活性炭作为负极可以增大超级电容器的电压。不对称电容器在电压范围 环测试限于 运行，以及在 100mA/0F/g。能够达到 36Wh/是功率密度比较一般。 关键词： 氧化锰；赝电容；不对称超级电容器；活性炭 引言 超级电容器进来引起极多的关注，主要因为与传统电池相比，它具有高功率密度，更高的效率和更长的循环寿命 1,2。商业装置主要基于两个不对称电极和有机电解液，使用有机电解质的超级电容器比使用水系电解质的超级电容器具有更高的电压稳定性。然而，应用有机电解质的装备从生态角度来讲并不友好，也不安全，更贵，因为它需要特定的制备条件。另外，有机电解质的电导率大约比水系电解质小两个数量级；因此，减少了可能的功率，这是另外的一个缺点。我们可以看到从工业观点来看水系电解质可能更有趣 ；但是在一个水系方案中，尽管它具有很高的比电容，它的电池电压也被局限在 1V，随后，对于工业应用，能量密度和功率密度都不会令人满意。 这样的事实使得人们接受了一种观念，就是在不对称装置中结合两种不同的电极，都在他们最佳的电压范围内进行工作 :负极具有高氢含量超电势，正极具有高氧含量超电势。这已经证明了使用混合物系统的电池能够显著的提高电压。 有报道显示了这种使用复合了二氧化锰并用碳纳米管（ 为正极，活性炭作为负极的装置。这种装置能够使比电容达到 200F/g,此外，它还可以在一个广泛的电压范 围 (水系为 2V)内操作，极大的提高系统的能量 3,4。操作电压的增长是由于存在于活性炭孔隙中可逆的氢吸附实现的 5,6。 另外，将电池的操作电压最大化电极的电容量是另一个不容忽视的因素，它能够改善超级电容器的性能。目前新的趋势致力于材料赝电容特性的应用，它通过快速的和可逆的感应电流反应来储存能量，尤其是金属氧化物以及金属氧化物和碳材料的混合物 7,9。 不同的过渡金属氧化物如 据文献数据，为了合成过渡金 属氧化物和他们的混合物人们尝试了不同的方法 7,8。这些实验包括电沉积或减少多空形态颗粒大小的氧化物的化学合成，制备碳纳米管以及碳材料的复合材料，导电聚合物和混合金属氧化物；但是材料的储存能力并没有显著提高，这表明制备金属氧化物 /炭的复合材料的方法仍然没有被找到。 一些关于锂夹层化合物如 有机电解质条件下作为电极应用于超级电容器的报道已经被发表 10,11。同时，使用水系电解质，活性炭为负极， 12。 在我们的文献中，电性能增强的目的已经被达到，是通过在硫酸中浸入锂锰氧化物粉末从炭插层混合物中去除锂离子实现的。在 13,14，以下是反应方程式： 2)4H 3 2面体晶格的一般被锰离子占据，四面体的四分之一被锂离子占据。尖晶石的化学计量计算，锰离子存在两个共价形态， 占一半，因此化学公式可以写成 5。它已经表明经过酸性水溶液处理过的尖晶石形态的 料导致转化的时保留了 13。经过处理，大部分锂离子从四面体中被转移走了，但是尖晶石的结构框架被保留了。最终指定最终材料，提到过酸性处理导致了锰的分解，也可能出现一种结果就是部分 子被氧化成价态更高的 态 14,16。 在本文中，具有物理化学特性和电化学特性的 分加氢氧化锂的 外，本文提到了一个水系电解质的系统，这种系统更加的廉价，更加重要，更加环保。 实验部分 材料的准备 锂锰氧化物 锰氧化物（ ， ）阴极粉末，硫酸（ 95%），硫酸锂，氢氧化钾是来自 备碳材料作为负极，在初始前体生物质使用在 750 温度下化学活化技术活化 此得到的活性炭被标记为 通过在 5 的 100酸水溶液中浸润 合物搅拌两个小时。之后，过滤水溶液，再用蒸馏水洗涤数次，在 100 的空气中干燥。最终得到了指定的 物理测量 在 77K 下用氮吸附来测定比表面积（ 方法），平均孔隙尺寸是由 010 软件估算得出的。纹理的细节和样品的观测形态使用透射型电子显微镜（ 利浦和扫描电子显微镜 (利浦 525 型。 电化学特性 用于评估电化学特性的电容器由 75%颗粒混合物材料， 20%的乙炔黑和 5%的粘结剂（聚偏氯乙烯（ 801）。在非对称系统条件下，活性炭 85%活性物质， 10%5%乙炔黑）被用于负极材料。典型的正极材料质量是 极的质量是 级电容器使用 1 的 有的实验都是在室温条件下进行的。 该电容值由双电极世伟洛克 系统测试，该系统包括循环伏安法充放电测试和不同的扫描速率，使用 物学法国）。在三极电池情况下 是参考值超过正常的氢电极（ 电容材料的电容值（ 者活性炭）是通过计算单个电极每单位的单位活性物质得出的。比电容由公式 C=i t/(算，其中 i 是用于放电电流， m 是活性物质的质量， 不对称系统情况下，所有的值都用电极的总质量进行计算（包括正极和负极）。 结果和讨论 经 过酸化处理的尖晶石形态的 时保留尖晶石结构框架（图 1）。 图 1 在尖晶石 处理后，大多数锂离子从四面体位置中除去，但尖晶石结构框架被保留因为锂质子交换同样存在于晶格中剩余的锂中。希望用补偿电荷的质子替换锂离子。提出上述转换机制包括此结构中锂的扩散类似于在 图 2 显示了未被处理过的 放大纹理图 (图 2a)和酸化处理过的 2b， c)，图 2a， b 是由扫描电子显微镜得出的图像，图 2c 是由透射电子显微镜得出的图像。可以清 晰的看到在去除部分的锂后混合物的形态发生了非常明显的改变；颗粒有了更多的成熟的多孔性，一些在表面上的不正常的孔隙也是可见的。这就提示了反应可能发生在颗粒的外面，锂和锰离子可以轻松的溶解在溶液中。 图 2 a,b)和 c)为尖晶石 (a)的扫描图像图像，氧化锰（ b,c） 加氢氧化锂的氧化锰可以用于电化学测试。如表 1 所见 : 表 1 不同酸度下获得 经过浓度为 硫酸酸化处理而获得的 之相反的是在浓度为 5 硫酸酸 化的情况下电容值发生了明显的下降。可以假设高浓度的酸可以轻松的溶解氧化锰的框架。这就是为什么在进一步的研究中选择用浓度为 1的酸来酸化从锰酸锂中得到的 二氧化锰。 材料的比表面积被确定为，最初的锰酸锂为 g， 二氧化名的为5m2/g。从氮吸附的文献的结果的出证明 二氧化锰为中孔材料，它的平均尺寸为 35消旋 /大孔也已经由 实。 这种可以忽略不计的表面面积值表明不能归因于经典电容材料电荷存储在双电层，但是法拉第反应必须参与。计算比表面电容（电容表示每单位表面积的 二氧化锰）达到了一个巨大的值 4200F 而，通常情况下，对于炭来说它的范围从 10 到 20F 一方面，当给定的比表面电容是 16F 98 3 和图 4 分别显示了 二氧化锰和活性炭电极的循环伏安。 图 3 两种电极在 1 的 溶液中操作但是点位范围不同。 二氧化锰在电视窗为 范围内工作与之相对的是 种材料的循环伏安曲线的不具有矩形形状，但由于法拉第反应，可以观察 到一些义峰。那些峰与锰的氧化还原过程与同事锂离子插入 /脱出成 于这一事实即结构初始尖晶石材料的框架内被保存下来。这些峰的潜在值与 热力学数据有关。对于活性炭，电位范围为 ，可以观察到接近矩形的形状曲线。这显示了一个典型的双电层行为；但是某些氧化还原反应不应该被排除在外，因为氧和氮的存在源于生物质前体。 合物做正极和活性炭做负极导致不对称电极可以在扩展的潜在窗口内工作。 图 4 活性炭电极的循环伏安特性曲线 图 5 是非对称系统呈现的电容特性的机理。扫描速度为 11到 2 1。在 表明电解液在这个电势范围内保持稳定。 图 5 非对称系统电容特性曲线 在不同的电流密度和不同的电压范围内恒流充放电测试用于估算电化学性能，如比电容值，能量和功率。调查显示，这个电容器在电势范围 流密度为 200mA/g 到 流密度 100mA/g 下工作。这些结果分别在图 6 和图 7中显示。 图 6 1 1定电流密度 100 mA g1 下不对称充 放电曲线 图 7 1 100 mA g1电流密度下非对称电容充放电曲线 在活性炭作为负极的情况下，所述的充电电荷以静电形式以及可逆的氢存储机制形式存在。对于 拉第反应包括了锰的各种氧化状态的充放电过程。这是恒流充放电曲线非理想形状的原因（可以观察到是凸形状的曲线而不是三角形的，特别 是对于较低值得恒定电流。图 8 是不同电流密度下放电时和放电电压的关系图。由图中这些充放电曲线可以看出放电时间随着施加电流的增加而降低，因此，电容降低。这是因为氧化还原反应取决于 插入的例子脱出或质子的电解质。在较低的电流密度，离子能够渗透到电极材料的内部，几乎可以通过电极所有的孔隙，这导致一个完整的插入和事后脱出的反应；但是在较高的电流密度下，离子插入在赝电容材料中的有效利用仅限于外电极表面。这导致特定电容值的减少。同样的现象可以在增加电压扫描速度时观察到 。 图 8 1 1同 电流密度下非对称电容充放电曲线 由于扫描速度的增加，循环伏安法得出的描述偏离了理想的电容特性。这种行为的主要原因是，较高的扫描速率阻止了离子向电极的所有孔隙中移动。在高速率扫描 中，离子的移动被限制，这是由于它们的扩散速度较慢，并且只有外表面可以用于电荷存储。这也得到了关于电化学阻抗频率范围从 100 1使等效串联电阻不是很高，但是扩散的局限性非常明显。 在不同电流密度下不同的不对称超级电容器的特点呈现在 绘图中。对两电极计算特定的能量密度（与添加剂一起）。显然，对于能量和功率计算，电压值不随欧姆值下降。可以获得 36高水平值。但是该系统不能提供高功率。在 1804得注意的是，这种异常的氧化锰材料仍没有 被优化。 试验已经着手电极 /电解液的建模和计算机模拟电化学特性。人工神经网络已经被用于决定和预测长期次循环充放电特性。 结论 应经被证明的是应用两种不同的电极材料并使他们在最佳能力范围内工作，能够扩展超级电容器的工作电压并使整个系统的电压达到 2V。细节分析（理论上和实验上）表明，比起炭电极的电势，二氧化锰的电极运行在一个更窄的电压范围（约 由加氢氧化锂的 容量为 60F/g，基于两电极的总重量计算的（正极和负极）。已经证明不对称配置的电容 器要比对称的装置要优秀。氧化锰是从尖晶石中得来的一种非常有前途的材料，但是需要进一步改善。 参考文献 1. (2000) is J 1:37. 03780)00485. E (1999) . , , , (2005) of as J 52:. , , (2006) of an V in J 53:183. . , , (2004) of in 78:981. . , , , , , (2006) of as in an 4:2392. . , , , , (2006) 82:. , (2007) of 5:304. . , , ,