电化学沉积SnO2及其电容性能
目 录
1 引言 1
1.1 二氧化锡简介 1
1.2 超级电容器简介 1
1.3 超级电容器原理 4
1.4 二氧化锡的制备方法 5
1.5 选题依据和主要研究内容 8
2 实验部分 10
2.1 主要试剂及仪器设备 10
2.2 实验步骤 10
3 结果与分析 12
3.1 产物元素分析 12
3.2 实验参数对产物形貌的影响 12
3.3 二氧化锡的电容性能 16
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1.1 二氧化锡简介
SnO2是一种重要的宽带隙n型半导体(禁带宽度为3.6 eV)，SnO2又名二氧化锡，
式量150.7，白色，四方、六方或正交晶体，密度为6.95 g/cm3，熔点1630 oC，于1800～1900 oC升华。难溶于水、醇、稀酸和碱液。缓溶于热浓强碱溶液并分解，与强碱共熔可生成锡酸盐。能溶于浓硫酸或浓盐酸。用于制锡盐、催化剂 、媒染剂 ，配制涂料，玻璃、搪瓷工业 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
用作抛光剂。锡在空气中灼烧或将Sn(OH)4加热分解可制得。
根据二氧化锡的性质特征，通过不断的开发拓展二氧化锡的应用，其中包括：(1)、银锡触头材料。银氧化锡触头材料是近年发展迅速的新型环保电触头材料,是替代传统银氧化镉触头的理想材料。（2）、塑料和建筑行业的抗静电添加剂（3）、用于平板和CRT(阴极射线管)显示的透明导电材料（4）、电工及电子元件（5）、用于熔炼特种玻璃的氧化锡电极（6）、用于光催化抗菌材料等。
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器特点
电容器，是一类电荷贮存装置的总称，通常是由两个电极和电解质组成，两个电极之间有一层隔膜。根据电荷存贮的机理，电容器可分为传统的双电层电容器和电化学赝电容器。其中电化学赝电容器是基于电化学氧化还原反应的一类电容器，又称为超级电容器。超级电容器(Supercapacitor)是介于电池和静电电容器之间的一种新型储能元件[1]。它具有比传统电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的循环寿命[2]。因为它同时具有较高的能量密度和高的功率密度、超长循环寿命以及能在低压下操作等特点，因此在大功率脉冲电源、电动车驱动电源等领域有广泛用途，成为能源领域近几年来的研究热点之一。
电化学电容器作为一种新型储能器件，具有如下特点：[3-5]
（1）高能量密度。电化学电容器的能量密度比传统电容器大10到100 倍，电容量比同体积电解电容器大2000到6000倍。
（2）高功率密度。电化学电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数kW/ kg，是任何一个化学电源无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。
（3）充放电循环寿命长。电化学电容器充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，其理论循环寿命为无穷大，实际可以达到10万次以上，而蓄电池的充放电循环寿命通常只有数百次，只有电化学电容器的几十分之一
（4）使用温度范围宽。电化学电容器可以在-40到+70 oC的温度范围内使用，而一般电池为-20到+60 oC。电化学电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小，而蓄电池在低温下容量衰减幅度却可以高达 70%。
（5）充电时间短。电化学电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要数小时才能充电完毕。
（6）妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般说来，比能量高的贮能体系其比功率不高；而一个贮能体系的比功率高，其比能量就不一定很高，许多电池体系就是如此。
（7）贮存寿命长。电化学电容器充电之后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的。因此，电化学电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。
（8）可靠性高、免维护且环保。电化学电容器工作过程中没有运动部件，维护工作量小，因而电化学电容器的可靠性非常高。
1.2.2 超级电容器结构
如图1.1所示，电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中电极包括电极活性材料和集电极两部分。集电极的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解质中性能稳定，不发生化学反应。集电极材料的选择主要由电解质决定[6]。通常，酸性电解质可以使用钛材料，碱性电解质可以使用镍材料，而对有机电解质等可以使用廉价的铝材料。隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过，隔膜的电阻与其厚度成正比，与孔隙率成反比。为了降低电容器的ESR(等效串联电阻)，对隔膜的要求是：(a)超薄；(b)高孔隙率；(c)高强度。通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等[7]。
图1.1 超级电容器结构
1.2.3 超级电容器的应用
1.在电动汽车和混合动力汽车中的应用。电池技术的发展始终是制约整个电动汽车行业发展的主要因素。在车辆启动、加速、爬坡等需要高功率输出时，现有的各类传统电池都不能满足要求，而且高功率输出对传统电池也有严重伤害。在电动车和混合动力汽车中均可以采用大功率超级电容器。超级电容器可以作为一个具有高功率、可在短时间内释放能量的辅助电源，并可回收刹车时得到的能量，在优化的状态下运行。
2.用于太阳能、风能发电装置辅助电源。超级电容器可以作为太阳能或风能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，一方面超级电容器对于充放电电流没有严格的限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，另一方面超级电容器的长寿命、免维修和环保特点能够保证这些新型能源杜绝二次污染，并能长时间免维护地使用，成为真正的绿色能源。
1.2.4 超级电容器的发展状况及前景
1.5 选题依据和主要研究内容
1.5.1 选题依据
全球经济的迅速发展、矿物燃料的不断消耗及环境污染的日益严重使得对高效、清洁、可持续发展的可替代能源的寻找变得越来越迫切，和能源转换相关的新技术也因此成了全世界科学家们研究的热点。在很多应用领域里，最有效且最实际的能量转换与储存技术要数电池和电化学电容器。随着环境保护观念的增强，并伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展,资源和能源日渐短缺,生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源，低排放和零排放的交通工具的应用成为了一种趋势。科学技术的发展和人民生活水平的提高，要求新能源和储能设备具有更高的能量密度和功率密度，用来代替或辅助当前所使用的电池。电化学电容器的性能介于电池和静电电容器之间。与传统电容器相比，电化学电容器具有更高的比电容，可储存的能量密度是传统静电电容器的10倍之多；而与电池相比，电化学电容器具有更大的功率密度，且有瞬间释放特大电流的、充放电效率高、充放电时间短、循环寿命长的特性。金属氧化物基电容器目前研究最为成功的电极材料主要是氧化钌，价格昂贵，在本实验中我们采用较为常见的氧化锡，以降低生产成本。本实验使用的二氧化锡是采用电化学沉积法制得的，化学沉积法又具有以下几点优点如：1、通常在常温下就可以反应,反应温度低；2、通过监控转移的电荷数可以控制薄膜的厚度；3、其组成和缺陷可以控制；4、可以在各种复杂形状的基底上沉积薄膜；5、可进行非平衡相的沉积；6、驱动力可以进行精确的控制；7、耗费小等[17]。所以，本研究对环境保护，减少能源消耗均具有积极的意义。
1 引言 1
1.1 二氧化锡简介 1
1.2 超级电容器简介 1
1.3 超级电容器原理 4
1.4 二氧化锡的制备方法 5
1.5 选题依据和主要研究内容 8
2 实验部分 10
2.1 主要试剂及仪器设备 10
2.2 实验步骤 10
3 结果与分析 12
3.1 产物元素分析 12
3.2 实验参数对产物形貌的影响 12
3.3 二氧化锡的电容性能 16
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
1.1 二氧化锡简介
SnO2是一种重要的宽带隙n型半导体(禁带宽度为3.6 eV)，SnO2又名二氧化锡，
式量150.7，白色，四方、六方或正交晶体，密度为6.95 g/cm3，熔点1630 oC，于1800～1900 oC升华。难溶于水、醇、稀酸和碱液。缓溶于热浓强碱溶液并分解，与强碱共熔可生成锡酸盐。能溶于浓硫酸或浓盐酸
用作抛光剂
根据二氧化锡的性质特征，通过不断的开发拓展二氧化锡的应用，其中包括：(1)、银锡触头材料。银氧化锡触头材料是近年发展迅速的新型环保电触头材料,是替代传统银氧化镉触头的理想材料。（2）、塑料和建筑行业的抗静电添加剂（3）、用于平板和CRT(阴极射线管)显示的透明导电材料（4）、电工及电子元件（5）、用于熔炼特种玻璃的氧化锡电极（6）、用于光催化抗菌材料等。
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器特点
电容器，是一类电荷贮存装置的总称，通常是由两个电极和电解质组成，两个电极之间有一层隔膜。根据电荷存贮的机理，电容器可分为传统的双电层电容器和电化学赝电容器。其中电化学赝电容器是基于电化学氧化还原反应的一类电容器，又称为超级电容器。超级电容器(Supercapacitor)是介于电池和静电电容器之间的一种新型储能元件[1]。它具有比传统电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的循环寿命[2]。因为它同时具有较高的能量密度和高的功率密度、超长循环寿命以及能在低压下操作等特点，因此在大功率脉冲电源、电动车驱动电源等领域有广泛用途，成为能源领域近几年来的研究热点之一。
电化学电容器作为一种新型储能器件，具有如下特点：[3-5]
（1）高能量密度。电化学电容器的能量密度比传统电容器大10到100 倍，电容量比同体积电解电容器大2000到6000倍。
（2）高功率密度。电化学电容器的内阻很小，并且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数kW/ kg，是任何一个化学电源无法比拟的，是一般蓄电池的数十倍。
（3）充放电循环寿命长。电化学电容器充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，其理论循环寿命为无穷大，实际可以达到10万次以上，而蓄电池的充放电循环寿命通常只有数百次，只有电化学电容器的几十分之一
（4）使用温度范围宽。电化学电容器可以在-40到+70 oC的温度范围内使用，而一般电池为-20到+60 oC。电化学电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小，而蓄电池在低温下容量衰减幅度却可以高达 70%。
（5）充电时间短。电化学电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要数小时才能充电完毕。
（6）妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般说来，比能量高的贮能体系其比功率不高；而一个贮能体系的比功率高，其比能量就不一定很高，许多电池体系就是如此。
（7）贮存寿命长。电化学电容器充电之后，虽然也有微小的漏电流存在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质，且所用的电极材料在相应的电解液中也是稳定的。因此，电化学电容器的贮存寿命几乎可以认为是无限的。
（8）可靠性高、免维护且环保。电化学电容器工作过程中没有运动部件，维护工作量小，因而电化学电容器的可靠性非常高。
1.2.2 超级电容器结构
如图1.1所示，电化学电容器主要由电极、电解质和隔膜组成。其中电极包括电极活性材料和集电极两部分。集电极的作用是降低电极的内阻，要求它与电极接触面积大，接触电阻小，而且耐腐蚀性强，在电解质中性能稳定，不发生化学反应。集电极材料的选择主要由电解质决定[6]。通常，酸性电解质可以使用钛材料，碱性电解质可以使用镍材料，而对有机电解质等可以使用廉价的铝材料。隔膜的作用是在防止两个电极物理接触的同时允许离子通过，隔膜的电阻与其厚度成正比，与孔隙率成反比。为了降低电容器的ESR(等效串联电阻)，对隔膜的要求是：(a)超薄；(b)高孔隙率；(c)高强度。通常使用的材料有玻璃纤维和聚丙烯膜等[7]。
图1.1 超级电容器结构
1.2.3 超级电容器的应用
1.在电动汽车和混合动力汽车中的应用。电池技术的发展始终是制约整个电动汽车行业发展的主要因素。在车辆启动、加速、爬坡等需要高功率输出时，现有的各类传统电池都不能满足要求，而且高功率输出对传统电池也有严重伤害。在电动车和混合动力汽车中均可以采用大功率超级电容器。超级电容器可以作为一个具有高功率、可在短时间内释放能量的辅助电源，并可回收刹车时得到的能量，在优化的状态下运行。
2.用于太阳能、风能发电装置辅助电源。超级电容器可以作为太阳能或风能发电装置的辅助电源，将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，一方面超级电容器对于充放电电流没有严格的限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，另一方面超级电容器的长寿命、免维修和环保特点能够保证这些新型能源杜绝二次污染，并能长时间免维护地使用，成为真正的绿色能源。
1.2.4 超级电容器的发展状况及前景
1.5 选题依据和主要研究内容
1.5.1 选题依据
全球经济的迅速发展、矿物燃料的不断消耗及环境污染的日益严重使得对高效、清洁、可持续发展的可替代能源的寻找变得越来越迫切，和能源转换相关的新技术也因此成了全世界科学家们研究的热点。在很多应用领域里，最有效且最实际的能量转换与储存技术要数电池和电化学电容器。随着环境保护观念的增强，并伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展,资源和能源日渐短缺,生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源，低排放和零排放的交通工具的应用成为了一种趋势。科学技术的发展和人民生活水平的提高，要求新能源和储能设备具有更高的能量密度和功率密度，用来代替或辅助当前所使用的电池。电化学电容器的性能介于电池和静电电容器之间。与传统电容器相比，电化学电容器具有更高的比电容，可储存的能量密度是传统静电电容器的10倍之多；而与电池相比，电化学电容器具有更大的功率密度，且有瞬间释放特大电流的、充放电效率高、充放电时间短、循环寿命长的特性。金属氧化物基电容器目前研究最为成功的电极材料主要是氧化钌，价格昂贵，在本实验中我们采用较为常见的氧化锡，以降低生产成本。本实验使用的二氧化锡是采用电化学沉积法制得的，化学沉积法又具有以下几点优点如：1、通常在常温下就可以反应,反应温度低；2、通过监控转移的电荷数可以控制薄膜的厚度；3、其组成和缺陷可以控制；4、可以在各种复杂形状的基底上沉积薄膜；5、可进行非平衡相的沉积；6、驱动力可以进行精确的控制；7、耗费小等[17]。所以，本研究对环境保护，减少能源消耗均具有积极的意义。
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