Sr、Co掺杂LaFeO3超级电容器电极材料研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shiyigudan
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超级电容器是一种新型高效能量存储设备,介于传统电容器和电池/燃料电池之间。超级电容器具有高功率密度、良好可逆性、高循环效率、长循环寿命、环境友好和安全等优点。因此,超级电容器技术被认为是一种很有前景的绿色技术。电极材料是超级电容器研究的重要方向,其主要电极材料包括传统碳材料、导电聚合物、金属氧化物以及钙钛矿型氧化物等。钙钛矿型材料呈独特的ABO3结构(天然钙钛矿结构),具有良好的电子电导率和离子电导率。近几年来,关于钙钛矿氧化物超级电容器的研究越来越多,钙钛矿氧化物正成为一种新型的超级电容器电极材料。本论文选择LaFeO3为研究对象,研究内容包括LaFeO3基钙钛矿型氧化物电极材料的制备及物理和电化学分析测试,考察其作为超级电容器电极材料的综合性能。以LaFeO3材料作为电极活性物质,选用碳纸衬底作为集流体,采用超声分散浸渍法制备电极。研究发现电极活性物质担载量为0.60.7 mg cm-2及球磨15 h有利于提高电极材料的电化学性能。由于实验所用的LaFeO3材料比表面积较小,且材料体系中仅有Fe元素能够发生氧化还原反应,所以材料的比电容并不高。在2mV s-1的低扫描速率下,LaFeO3电极的比容量为102 F g-1。在2 mA恒定电流下经过1000次的循环后,电极几乎没有发生衰减现象,说明LaFeO3材料具有良好的循环稳定性。以LaFeO3作为基本架构,在A位掺杂Sr元素,B位掺杂Co元素,分别采用甘氨酸燃烧法和溶胶-凝胶法合成La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF6428)材料,其室温电导率为60 S cm-1左右,说明该材料具有良好的电子导电性。研究结果表明甘氨酸燃烧法制备的LSCF6428材料具有更高的比表面积、更均匀的孔径分布、更好的比容量及离子导电性。以甘氨酸燃烧法合成的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3作为电极材料,分别在1 M Na2SO4中性电解液和6 M KOH碱性电解液下进行电化学性能研究。可知在1 M Na2SO4中性电解液和6 M KOH碱性电解质溶液中,电极的电位窗口分别为-0.10.9 V和-1.20.4 V。在2 mV s-1扫描速率下,La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3电极在1 M Na2SO4电解液和6 M KOH电解液下的比电容大小分别为168F g-1和268 F g-1。可知甘氨酸燃烧法合成的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3电极在6 M KOH电解质溶液中具有更宽的工作电压范围和更大的比电容。LSCF电极的赝电容效应来自于Fe元素和Co元素的变价,室温电导率约为60200 S cm-1左右,Co元素含量增加提高了电极材料的电导率。改变Co元素和Fe元素的比例,以La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3和La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3作为电极材料,分别在1 M Na2SO4中性电解液和6 M KOH碱性电解液中进行电化学测试。Co含量的增加使得电极在6 M KOH电解液中的电位窗口变为-1.20.3 V(向负电位移动)。在2 mV s-1扫描速率下,La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3电极在1 M Na2SO4电解液和6 M KOH电解液下的比电容大小分别为200F g-1和308 F g-1。实验结果表明Co含量的增加,增强了电极的赝电容氧化还原反应,CV曲线表现出了明显的氧化峰和还原峰,提高了电极的比容量和电子离子导电性,说明Co元素具有比Fe元素更强的存储电荷的能力,在赝电容效应中,Co元素的贡献比Fe元素大。La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3和La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3电极都拥有极好的电化学稳定性。
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