二氧化锰基纳米复合材料电极在超级电容器应用中的研究进展

摘要超级电容器是一种具有高的功率密度、良好的循环稳定性和快的充放电速率的储能器件。与传统的电容器相比，由于较高的成本和较低能量密度的限制，超级电容器目前仍很难替代传统能源。在此前提条件下，寻求一种电化学储能能力更强、成本更低的电极材料是目前超级电容器电极材料的研究重点。二氧化锰由于其价格低廉、来源广泛和能量密度高的优点成为当前研究最为广泛的电极材料之一。该文以二氧化锰基的纳米复合材料为研究对象，从二氧化锰的制备与改性方法的角度出发，总结了当前二氧化锰基的纳米复合材料在超级电容器方面的应用研究进展，并对未来的发展趋势提出了展望。正文部分1

超级电容器简介随着化石能源的不断消耗，世界经济的发展受能源危机的影响越来越大，开发清洁、高效的新能源技术成为未来能源科技发展的重要方向。超级电容器是一种位于传统电容器和充电式电池之间的新型能量存储装置。与传统电容器相比，超级电容器电容量大，使用寿命长，能够同时实现快速的充放电，且同时具有很宽的工作温度区间范围及极长的使用寿命。与普通蓄电池相比，超级电容器具有更高的功率和密度，且对环境没有任何污染。总的来说，超级电容器具有功率密度大、充放电时间快、工作温度区域范围宽、充放电时间周期长、安全系数高、经济环保等优点。目前世界上普遍应用的储能器件在各个方面的功率密度与能量密度均有不同的优势，超级电容器具有高的能量密度和低的能量密度，如何简单高效的实现具有高能量密度超级电容器仍是目前研究的重要课题。1.1

超级电容器储能机理根据储电功能的机理不同，超级电容器可分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。1.2

超级电容器结构组成超级电容器主要组成部分包括电极、隔膜及电解质。电容器的材料大致来说可以分为三大类。2

二氧化锰材料简介2.1

晶形结构MnO2是一种化学结构比较复杂的氧化物，根据MnO2中[MnO6]面体连结方式的不同，MnO2结构可分为三大类：一类是链状或隧道结构，如α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2等；第二类是片状或层状结构，δ-MnO2就属于这一类；第三类具有三维立体结构，如λ-MnO2。β-MnO2为[1x1]隧道结构，ε-MnO2结构与γ-MnO2十分类似，此八面体呈无序分布，δ-MnO2为不稳定的层状结构。2.2

反应机理MnO2作为半导体，其还原过程不同于一般金属氧化物。3

制备方法及其电容器性能目前纳米MnO2被用作制备超级电容器电极的方法已多有报道，其中研究者最常使用的几种合成纳米MnO2的方法包括低温固相法、溶胶凝胶法、热分解法和电化学沉积法。3.1

低温固相法低温固相法是近四十年来发展起来的一种制备纳米材料的方法。3.2

热分解法热分解法是金属化合物的冶炼方法之一，在实验中较为常见的是加热分解金属前驱物，而制备粉体材料。3.3

溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是用含有高化学活性组分的化合物作为前驱体，在液相下均匀混合原料，同时进行水解、缩合反应形成透明溶胶，经聚合形成失去流动性的凝胶、干燥与固化过程制备出纳米亚结构材料。3.4

电化学沉积法电化学沉积法是在含有二氧化锰的离子溶液中，通过改变电化学方法、改变电位或沉积速度将被二氧化锰均匀的沉积在阴极或者阳极模板上，可直接一步得到电极材料。4

改性研究MnO2作为电极材料的优势主要在于：(1)高理论比电容；(2)宽电位窗口；(3)采用不具有腐蚀性的中性电解液。尽管具备这些优点，目前MnO2基超级电容器还是普遍存在着实际充放电时的容量较少，长期充放电过程中容量增加和衰减幅度大等缺陷，而且在充放电过程中由于MnO2的解体导致循环性差，使其达不到商业化的要求。4.1

掺杂改性目前研究者们的研究重心偏向于MnO2的掺杂改性来提高其电化学性能。4.2

导电复合改性4.2.1

导电有机聚合物复合改性MnO2二氧化锰是一种可以与多种聚合物结合制成纳米结构杂化体的材料，可作为高性能的赝电容电极材料。4.2.2

导电无机物复合改性MnO2对于超级电容器而言，具有长周期稳定性的理想纳米复合电极应该包含高功率密度材料和高能量密度化合物。5

结论与展望结论与展望到目前为止，MnO2基超级电容器虽然仍然存在较多的问题，但与传统能源相比，仍具有非常多的优点，所以现在的研究者们对其保持着积极的探索与憧憬。MnO2的价格低廉、来源广泛和高的能量密度等优点使其成为研究者们最为感兴趣的电极材料之一。另一方面，具有多孔隙结构的碳/MnO2纳米复合材料，与其他能源技术乃至于普通电容器相比，性能都更为优异。总体来说，相较于其他传统能源材料而言，MnO2纳米复合材料作为电极材料制备的超级电