超级电容器电极材料MnO2的合成及性能研究

蔡 敏（广西现代职业技术学院资源工程系，广西 河池 547000）

超级电容器电极材料MnO2的合成及性能研究

蔡 敏
（广西现代职业技术学院资源工程系，广西 河池 547000）

以MnSO4和KMnO4为原料，采用密闭微波消解的方法合成了MnO2材料，并研究了其超级电容性能。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）及充放电测试等手段对材料的形貌、结构和性能进行了表征。测试结果表明，密闭微波消解法合成的MnO2材料的比电容为233.1F·g-1，在0.5A·g-1的测试电流条件下循环100次后比容量保持率为84.8%，说明材料具有较好的超电容性能。

MnO2；合成；性能

超级电容器（电化学电容器）是一种新型储能元件，因具有高比电容、宽工作温度、长使用寿命、循环效率高、无记忆效应、环境污染小等优点而成为研究热点。影响超级电容器电化学性能的一个重要因素是电极材料［1-2］，目前可用于电极材料的主要有过渡金属氧化物、碳材料及导电聚合物等，其中过渡金属氧化物具有较大的法拉第赝电容。MnO2资源丰富，价格低廉，比电容较高，是一种理想的电极材料，采用微波密闭消解的方法快速反应，可得到具有较好电化学性能的电极材料。

1　实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：MnSO4、KMnO4（均为分析纯）。

仪器：恒温水浴锅，磁力搅拌器，真空干燥箱，XT-9900A型智能微波消解仪，BT2013A-LAND 电池测试系统，FEI Quanta FEG场发射扫描电子显微镜，Rigaku D/max 2500v/pc型X射线衍射仪。

1.2 样品的合成

准确称量5.1g的MnSO4和3.2g的KMnO4，分别用100mL蒸馏水溶解后，搅拌加热至微沸，以2 滴·s-1的速度将KMnO4溶液滴加入其中，继续搅拌反应60min，抽滤、洗涤，100℃干燥12h，得到MnO2，记为A样。按照同样的配比将MnSO4和KMnO4混合后，倒入微波消解罐中，在3MPa条件下微波消解反应15min，结束后取出微波消解罐冷却至常温，记为B样。

1.3 样品的表征和测试

1.3.1 样品表征

采用FEI Quanta FEG场发射扫描电子显微镜观察复合材料的微观形貌。

采用Rigaku D/max 2500v/pc型X射线衍射仪对样品进行物相分析。测试中以Cu-Κα1为靶材，λ=0.15406nm，管电压为40kV，管电流为30mA，扫描范围为5°～90°，扫描步长为0.02°，步进速度为10°·min-1。

1.3.2 充放电性能测试

按7∶2∶1的质量比将样品、乙炔黑、聚偏氟乙烯（PVDF）充分混合，滴加适量丙酮进行磁力搅拌后得到糊状物，用涂布棒将糊状物均匀涂在面积约1.2cm2的泡沫镍上压成电极片，在100℃条件下烘干10h。将2片电极片组装成对称的扣式电容器，以1mol·L-1的Na2SO4溶液为电解液，在BT2013ALAND 电池测试系统上进行充放电测试。

2　结果与讨论

2.1 SEM分析

图1为MnO2的扫描电镜图。从图1中可看出，常压反应条件下的MnO2颗粒粒径大小在3μm左右，与微波消解反应得到的样品相比，粒径较大。通过对比可以看出，在微波加热和加压反应条件下，生成颗粒较小的样品，有利于电解液的渗透和缩短电子传输的距离，从而提高电化学性能。

图1　样品的SEM图

2.2 XRD分析

图2为样品A和样品B的XRD谱图。图谱经与JCPDS44-0141标准卡对比可知，所得样品的衍射峰与标准卡基本一致，说明密闭微波消解反应的方法没有改变MnO2的晶型结构。

图2　样品A和样品B的XRD谱图

2.3 电化学性能测试

图3为样品A和样品B的首次充放电曲线图和循环性能曲线图。合成样品在以1mol·L-1的Na2SO4溶液为电解液，测试电流为0.5A·g-1、电压范围为0～0.9V的充放电测试条件下进行测试。根据比电容计算公式C=I·Δt/（m·ΔV）（I为测试电流，Δt为充电或放电时间，m为样品质量，ΔV为充放电电压范围）。由图3可知，样品A的首次比电容为146.8F·g-1，而样品B的首次放电比电容为233.1F·g-1，有较大的提高。

样品A在充放电循环100次后容量保持率为56.8%，比电容有较大的衰减。而样品B在相同的循环次数条件下，比电容保持率为84.8%，有较大的提高。测试结果充分说明微波消解合成法能够有效地减少MnO2团聚现象，样品粒径的减小增加了其与电解液的充分接触，较好地改善了样品的电化学性能。

图3　样品A和样品B的首次充放电曲线图

图4　样品A和样品B的循环性能曲线图

3　结论

采用密闭微波消解的方法在较短的时间内合成了粒径较小、外观形貌良好的MnO2电极材料。对样品进行表征和检测的结果表明，该材料的结晶度良好，衍射峰与标准卡基本一致。在0.5A·g-1、0～0.9V的测试电流条件下，MnO2电极材料的首次放电比电容为233.1F·g-1，循环100次后比电容保

持率为84.8%，与普通合成方法得到的样品相比有了较大的提高。

［1］ 万厚钊，等. MnO2基超级电容器电极材料［J］.化工学报，2013，64（3）：801-813.

［2］ 郭永兴，等. 超级电容器新型复合电极材料MnO2/活性MCMB的研究［J］.电子元件与材料，2010，29（5）：41-44.

［3］ 曲江英，等. 还原氧化石墨烯/Mn3O4纳米复合材料的合成及其在超级电容器中的应用［J］.新型碳材料，2014，29（3）：186-192.

［4］ 汪建德，等.三维还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及其超级电容性能［J］.物理化学学报，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年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB749）

蔡敏（1984-），男，广西河池人，硕士，讲师，主要从事化工教学和新能源材料研究工作，E-mail：yanjiusheng2006010@163.com

2016-05-11