基于纳米TiO2的超级电容器电极材料的研究

• 作 者: 汪瑶
• 出 处: 湖北大学
• 发表日期: 2021年05期
• 关键词: 超级电容器 赝电容 纳米TiO2 溶胶凝胶法 比电容

随着经济水平和生活品质的提高,人们对便携式电子设备和电动车辆的需求呈现不断增长态势。开发出高性能、低成本、环境友好的先进储能器件迫在眉睫。化学电池、超级电容器（SCs）和燃料电池是基于电化学能量转换的三种非常规能量器件,其中超级电容器填补了化学电池和普通电容器之间的空隙,成为当今储能器件的研究热点。TiO₂因其无毒环保、成本低廉且具有很高的化学稳定性,成为替代Ru O₂等贵金属用于超级电容器电极材料的优选材料之一。但TiO₂电导率低,导致其比电容和比功率较低,改善TiO₂电极材料的导电性,提升其电化学性能成为当前研究的重要问题之一。本论文的主要内容和取得的研究结果如下:（1）、用溶胶凝胶法制备出尺寸不同的纳米TiO₂颗粒,利用XRD、SEM等对TiO₂的形貌、结构进行了表征。结果表明在溶胶凝胶过程中用醋酸或盐酸作为抑制剂时,TiO₂样品由许多纳米尺度的小颗粒团聚而成,以盐酸为抑制剂所制备的TiO₂较用醋酸制备的样品颗粒更小。（2）、将纳米TiO₂作为工作电极,Li₂SO₄为电解液,用三电极法研究了TiO₂电极材料的电化学性能,结果表明测试气氛对TiO₂的电化学性能有很大影响。在空气气氛中,TiO₂库仑效率较低,仅为26%（10 m V/s）。当充入氮气后,在非氧气氛中,TiO₂的库仑效率有明显提高,在相同扫速（10 m V/s）下为67.4%。实验在CV循环曲线上观察到较明显的氧化还原电流峰,表明TiO₂为赝电容特性电极材料。此外,比电容的计算结果表明以盐酸为抑制剂制备的TiO₂电极材料的比电容较大,为27.49 F/g,是普通商用TiO₂比电容的5倍。（3）、用球磨法将以盐酸为抑制剂制备的纳米TiO₂与活性炭进行复合,得到具有包覆结构的TiO₂@AC纳米复合材料。电化学测试结果表明该复合电极材料的CV循环曲线大体呈矩形,但在-0.5 V附近出现氧化-还原电流峰,表明TiO₂@AC复合电极材料同时存在赝电容和双电层电容行为。交流阻抗测试结果表明,活性炭与纳米TiO₂复合极大地提高了纳米TiO₂的导电性,比电容达到139.05 F/g,远大于溶胶凝胶法制备的初始TiO₂的比电容（27.49 F/g）,表明与活性炭的复合对纳米TiO₂电化学性能的改善具有良好效果。（4）、将活性炭作为正极,以初始TiO₂、TiO₂@AC复合材料分别为负极组装混合超级电容器（TiO₂//AC、TiO₂@AC//AC）,并研究了两种混合超级电容器的电化学性质。结果表明TiO₂//AC经500次循环后,比电容衰减为初始比电容的82%,库仑效率波动较大。而经500次循环后,TiO₂@AC//AC的库仑效率仍为96.7%,比电容基本不变,为19.15 F/g,是TiO₂//AC混合超级电容器比电容的4.2倍。