超级电容器纳米复合电极材料的形貌可控制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-02-25 12:35

【摘要】：超级电容器也称超大容量电容器,作为一种新型的储能装置,因其功率密度高,循环稳定性好,充放电快速和安全性高等优异性能在混合动力汽车、工业电力、国防军用以及存储系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。然而,与锂离子电池相比,目前的商业超级电容器能量密度比较低,因而大大限制了它的应用。解决能量密度低的关键是提高电极材料的比电容和器件的工作电压。为了提高电极材料的比电容,本文设计和制备了形貌和尺寸可控的几种纳米复合电极材料,并对它们的电化学性能进行了研究。(1)选择廉价易得且可再生的生物质葡萄糖作为制备碳微球的初始材料,通过低温水热和高温碳化过程,制备出均一、球形度良好的碳微球纳米材料,并用敏化干燥法在其表面获得一层薄而均匀的SnO_2壳层,最终得到具有核壳结构的CMSs@SnO_2纳米复合材料。IR、Raman、XRD、SEM、TEM以及BET等表征结果表明,制备的CMSs@SnO_2纳米复合材料由~290 nm的碳微球内核和~10 nm的SnO_2外壳组成。循环伏安、恒电流充放电等电化学测试结果表明,CMSs@SnO_2纳米复合材料具有优良的电化学性能,当扫描速率为50 mVs~(-1)时,质量比电容值为320.5 Fg~(-1),约为纯碳纳米球的6倍,纯SnO_2的4倍。同时该复合材料还显示出优异的循环稳定性,2000次循环后,电容保持率仍有90.5%,远远高于纯碳纳米球的循环稳定性(72.3%)。究其原因,复合材料中的异质核壳结构起到了关键作用。(2)采用简单的水热法在泡沫镍表面原位合成了CsPW11Fe/NF电极材料。XRD、SEM、TEM等表征结果表明,CsPW11Fe在泡沫镍表面主要以单晶形式生长,形貌不均一。电化学测试结果表明,该材料具有优异的电化学性能。当电流密度为1A g~(-1)时,CsPW11Fe/NF的质量比电容值为315.5 Fg~(-1)。在电流密度为5 Ag~(-1)下,经5000次循环充放电后电容值达278.5 Fg~(-1),电容保留值为88.3%。同时,与传统的用浆料涂覆法制备的电极相比,该方法直接将活性物质生长在集流体上作为电极使用,避免了繁琐的制作过程,简化了流程。(3)采用简单的电沉积和后续退火处理法在泡沫镍基底上成功合成了“花瓣状”MnO_2/NiCo_2O_4超薄纳米片。XRD、EDS、SEM、TEM等表征结果表明,MnO_2/NiCo_2O_4纳米片均匀地生长在泡沫镍基体表面,其中的“花瓣”由MnO_2超薄纳米片和NiCo_2O_4超薄纳米片组成,厚度~10 nm。超薄纳米片之间相互交错连接形成孔道结构。随着沉积时间的延长,纳米片的厚度增大,孔道间隙变窄。电化学测试结果表明,电沉积30 min时获得的样品具有最好的电化学性能,如最高的比电容值,927 Fg~(-1)(1 Ag~(-1));最佳的循环稳定性,如25000次循环后电容保持率为初始电容的97.3%。
【图文】：

示意图,能量存储,器件,功率

图 1-1 不同的能量存储器件能量与功率 Ragone 示意图器的概念由来已久，最早被称为莱顿瓶（如图 1-2 所示），其原型为介质的玻璃瓶，以浸渍于酸中的导体及涂敷于玻璃瓶外的金属箔作的玻璃作为电介质材料。美国通用电气公司（General Electric Corp.）人于 1757 年利用多孔碳包覆金属集流体申请了第一个超级电容器专池中的电能量是由浸渍于含水电介质多孔碳材料界面双电池中驻留。电化学电容器（超级电容器），最早得到此命名的是一种由氧化钌层开发出的大容量电容器（每克数法拉电容量）。但当时这个发明并注与重视。直到 1990 年，超级电容器因在混合动力汽车上的应用才们的注意[14]。

示意图,莱顿瓶,实物,原理

图 1-1 不同的能量存储器件能量与功率 Ragone 示意图电容器的概念由来已久，最早被称为莱顿瓶（如图 1-2 所示），其原型为一个内解酸电介质的玻璃瓶，以浸渍于酸中的导体及涂敷于玻璃瓶外的金属箔作为两个，其间的玻璃作为电介质材料。美国通用电气公司（General Electric Corp.）Howacker 等人于 1757 年利用多孔碳包覆金属集流体申请了第一个超级电容器专利[13]。了原电池中的电能量是由浸渍于含水电介质多孔碳材料界面双电池中驻留的电荷电能的。电化学电容器（超级电容器），最早得到此命名的是一种由氧化钌薄膜系碳双电层开发出的大容量电容器（每克数法拉电容量）。但当时这个发明并没有引们的关注与重视。直到 1990 年，超级电容器因在混合动力汽车上的应用才使得其吸引人们的注意[14]。
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM53

【相似文献】