开题报告终稿

周绍云[6]等利用MeEt3NBF4/PC 电解液的超级电容器电位窗口能达到[0~3.0V]。 耿新[7]等利用KOH电解质，研究KOH溶液浓度对MnO2超级电容器性能的影响，指出KOH 浓度的变化对由 MnO2组成的电化学电容器放电性能会产生一定的影响，，并且指出浓度越大越有利于提高性能。

2.3 研究方向及内容

以二氧化锰粉末为研究基础，对二氧化锰超级电容器电解液中电解质的浓度进行设置，研究电解质浓度对二氧化锰电极电化学性能的影响，以此提高超级电容器的性能。电解质是超级电容器的重要组成部分，作为内部的电解质，伴随超级电容器的充电过程，在正负极活性物质表面形成双电层，从而达到储存能量的目的;在放电过程中，由于正负极之间存在电势差，双电层储存的电荷通过外电路释放形成电流。它对于超级电容器的能量密度、功率密度和工作电压有着十分紧密的关系。

2.4 超级电容器的结构

超级电容器主要由三部分组成：电极、电解液和隔膜。其中电极由集流体和电极材料组成，电极材料涂覆在集流体表面。集流体起到降低电极内阻的作用，常见的集流体材料有铝箔、泡沫镍等。通常电极材料由活性物质（如活性炭、过渡金属氧化物、石墨烯等）、粘合剂（聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯）和导电剂（乙炔黑）组成，针对不同活性物质，三者调配的比例不同。隔膜的作用是防止正负电极之间直接接触而发生短路，同时允许电解液中阴阳离子的通过。常见的隔膜材料有聚丙烯膜和玻璃纤维等。如图2-1所示。

图2-1超级电容器的基本结构

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(1. 集流体；2.电极；3.电解液；4.隔膜；5.外壳)

2.5 工作原理

超级电容器根据储能机理的不同，可以分为双电层电容器和法拉第准电容器。作为能量储存装置，其储能的大小表现为电容的大小，一种是采用高比表面积电极材料，利用电极/电解液之间形成的界面双电层静电容来存储能量，即双电层电容；另一种是采用导电高聚物或过渡金属氧化物做电极材料，在电极表面或体相中的两维空间或三维空间，电极活性物质发生高度可逆的吸附/脱附或氧化/还原反应而产生比双电层电容更高的容量，即法拉第赝电容器。

本实验主要研究双电层电容器。双层电容器是利用电极/电解液界面双电层来储存能量的，在库伦力、分子间力、原子间力等各种作用力的共同作用下，固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，从而形成紧密的双电层，成为界面双层。双电层电容理论的第一个模型是由Helmholtz于1887年提出的，其原理如图2-2所示，电极上的点位为φ0，由外部对该电容器充电时，一个电极的点位升高至φ0+φ1，而另一个电极的点位则降低至φ0-φ1，这样就储存了电荷。只要φ0+φ1的电位小于双电层的分解电压，便形成一个双电层电容器。在放电时，电子通过外电路上的负载从负极流到正极，使两电极上的电位恢复到φ0，而电解质中的正、负离子则分别摆脱负极和正极表面的吸引，重新进入电解质内部[8]。

图2-2 双电层电容器原理图

（a）无外加电源时电位 （b）有外加电源时电位

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1—双电层；2—电解液；3—电极；4—负载。

超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这两种原理产生的。充电时，依靠这两种原理储存电荷，实现能量的积累；放电时，又依靠这两种原理，实现能量的释放。由于电极材料采用的是具有较大的比表面积、多孔的氧化物，因此被电解液浸润的活性物质的面积非常大，这样就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时金属氧化物发生氧化还原反应使得这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来。因此，制备高性能的超级电容器有两个途径：一是增大电极材料的比表面积，从而增大双电层电容量；二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率，从而提高准电容容量[9]。

2.6 电解质的分类

超级电容器的电解质一般可以分为水系电解质、有机电解质、固体电解质。 水系电解质：由于导电率高、能够与电极微孔充分浸润、价格便宜等优点被广泛应用于超级电容器中。水系电解质可以分为碱性电解质、中性电解质和酸性电解质；

有机电解质：与水系电解质相比，有机溶剂代替水的有机电解质有着以下优点：分解电压高、腐蚀较弱、较宽的工作温度范围等。目前，乙腈由于粘度低、电化学稳定性较好等优点，被人们广泛关注并应用于超级电容器研究当中；

固体电解质：由于具有不流动性，在制备和使用超级电容器过程中无电解液渗漏出现，工作电位窗口较宽等优点，也得到了广泛关注，并且有利于制备轻型高能量密度的超级电容器。但是其导电率不高，内阻较大，对制备性能优良的超级电容器造成很大影响。

因此为了提高电容器的工作电压范围以及功率密度，超级电容器所用电解液[10]应满足以一下要求：

(l) 电解质溶液中溶剂化阴离子的极化率高，以增大双电层离子的介电常数，进而提高比电容，有利于形成高的电容量。

(2) 电导率高。电化学电容器的内部阻抗中电解质溶液的电阻占的尽可能的小，提高电容器大电流放电性能，而且，减少电解质溶液电阻对电容器温度特性的影响。

(3) 电解质具有较高的溶解度，电解质离子浓度至少应能满足电极形成电容所需。

(4) 分解电压高，储存在电容器中的能量由公式 E＝l/2CV2给出，提高电压电容器储存的能量显著提高。

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(5) 电解质不与集流体发生化学反应。

(6) 使用温度范围宽，电容器的工作温度主要由电解质溶液的工作温度决定，电解质溶液至少要在-25-70℃的温度区间内稳定工作。

(7) 纯度高，以减少漏电流。

(8) 浸润性好，以增加极化电极有效面积，进而提高比电容[11，12]。

3. 实验方案

3.1 实验材料

无水硫酸锰、浓硫酸、高锰酸钾、氯铱酸、二氧化锰、活性炭、乙炔黑、电解质（Na2SO4、Li2SO4等）、PTFE、不锈钢网、泡沫镍等。

3.2实验方案

3.2.1 MnO2粉末和电极的制备

（1）MnO2粉末制备：本实验中的MnO2粉末采用液相法[13]制取，首先称取7.47g乙酸锰溶于200ml蒸馏水中，再称取3.16g高锰酸钾溶于200ml蒸馏水中，逐滴将乙酸锰溶液滴入高锰酸钾溶液中进行充分反应4~5h，可得到MnO2沉淀，用蒸馏水清洗沉淀3次后，静置一段时间后用真空泵抽离，再放入干燥箱80℃烘干，烘干后置于研钵中进行研磨，制得较细的MnO2粉末。

（2）电极的制备：将MnO2粉末与乙炔黑。加入少量PTFE混合搅拌至膏状，再将电极材料压在集流体上，制成1.5×1.5cm大小尺寸的电极。通过实验筛选出最佳性能的配比的电极。具体工艺如图3-1所示。

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