超级电容器用电极材料的制备和储电性能的研究

发布时间：2020-03-30 04:03

【摘要】：近年来,超级电容器因其能量密度高、循环寿命长、工作温度宽和安全可靠等优点引起广大科研工作者的关注,掀起了研究超级电容器电极材料的热潮。目前超级电容器电极材料应用广泛的主要有碳材料和金属氧化物/硫化物,其电化学性能主要受孔道结构、导电性、表面状态等因素决定。随着能源的不断枯竭,环境的不断恶化,人们对于能源的可持续性提出了更高的要求,作为新一代储能器件,超级电容器也需要以更优异的电化学性能来满足新时代需求。本论文旨在针对目前电极材料的不足,从表面状态、导电性、微观结构等方面进行研究制备新型复合电极材料,探究这些因素对电化学储能的作用机理,主要研究内容如下:1:以竹块作为炭源,利用炭化-活化两步工艺制备生物质活性炭(ABC),分别研究不同活化温度对生物质炭孔道结构、电导率、表面状态及电化学性能的影响。结果发现随着活化温度的提升,生物质炭孔道结构及比表面积均具有很大变化,其中采用900℃活化温度的ABC-900样品(比表面积:2221.1m2/g)表现出最优的电化学性能。三电极测试显示在0.5A/g下比电容达到293F/g,并且具有良好的循环寿命。组装成对称型超级电容器,通过两电极系统测试,表现出最高的能量密度(63W/kg,10.9Wh/kg)和最优的倍率特性(2500W/kg,7.8Wh/kg)。2:利用水热法将实验室制备的生物质活性炭与NiCo2S4进行复合得到ABC/NiCo2S4复合电极材料,研究生物质活性炭含量对电极材料晶型、结构形貌和电化学性能的影响,探讨出生物质活性炭对复合电极材料的作用机理。结果显示随着生物质活性炭的加入,原本团聚的纳米网状结构分散成纳米线结构。经过三电极系统测试,ABC/NiCo2S4-4样品表现出最优的电化学性能,在0.5A/g的电流密度下比电容为1948F/g,且表现出优异的倍率特性和循环寿命。3:分别研究制备了 CMK-3/Co3O4和CMK-3/NiCo2S4两种复合电极材料,研究添加不同的CMK-3(有序介孔碳)含量对整体电极材料的电导率、孔道结构和微观形貌等的影响,探索其CMK-3的作用机理。测试结果显示,当添加一定量的CMK-3,CMK-3/Co3O4样品呈现出纳米线和纳米片共存的状态,有效提升了电极材料与电解液的接触面积。通过三电极系统测试,C/Co3O4-6样品表现出最高的比电容量,在0.5A/g的电流密度下,可达到1131.2F/g,经过1000次的循环寿命测试,比电容保持率仍能高达82.6%。CMK-3以导电剂和阻聚剂的身份进入复合材料中,导电性能得到较大提升,NiCo2S4纳米网状结构变成纳米线结构,其中CMK-3添加量为0.008g时,C/NiCo2S4-8样品表现出最大的比电容量(在0.5A/g下比电容高达3293F/g)和出色的循环寿命(2000次循环后比电容保持率为94.2%),组装成非对称型超级电容器C/NiCo2S4-8//AC,在357W/kg的功率密度下,其能量密度高达34.9Wh/kg。4:研究利用新型的电沉积工艺成功在纳米线结构的Co3O4上沉积Ni(OH)2,得到核壳结构的纳米线Co3O4/Ni(OH)2复合电极材料。结果测试表明,沉积的Ni(OH)2含量偏低且结晶性较差,不同的沉积循环次数对于电极材料微观形貌、电化学性能有较大差异,在循环次数为2时电极材料Co3O4/Ni(OH)2-2体现出最优的电化学性能。通过三电极系统测试,在0.5A/g下比电容高达2055.1F/g,且具有良好的倍率特性。组装成非对称型超级电容器,能量密度高达48.6Wh/kg,经过8000循环寿命测试,仍然具有72.7%的保持率。5:研究采用多步水热法在Co3O4的纳米片上嫁接纳米线结构的NiCo2S4制备Co3O4/NiCo2S4复合电极材料,探讨形貌结构对复合电极材料的电化学性能的影响。结果表明该种结构有效的提升了电极材料的利用率,丰富了法拉第反应,独特的孔道结构有利于电解液离子的快速扩散,克服动力学限制,进而大幅提升电化学性能。在3M KOH电解液中,比电容在0.5A/g的电流密度下高达1774F/g,且具有良好的倍率特性,1000次循环寿命测试后,比电容保持率仍能高达88.7%,体现出复合电极材料优秀的电化学性能。
【图文】：

对比图,能量功率,超级电容器,电池

率输出的产品［５＿７］。与电池相比，超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间逡逑的能量存储装置，其拥有理想的能量密度，更高的功率密度，更长的使用寿命逡逑和更宽的工作温度范围，具有相当广阔的应用前景。图１．１给出了超级电容器逡逑和各类电池的能量功率对比图＋１１］。逡逑１０００逦￣0邋ｊ邋；邋厂■？邋１逦：■邋，逦＝逡逑二逦Ｐ邋＇逡逑＿＿＿＿＿逡逑１１０逦Ｖｉ．逡逑ｌ邋ｉ：，邋ＬｒｊＩ逦４－逡逑１逡逑０．３６邋５逡逑巨，２十邋ｉ，：一二－—邋ｉ邋－ｕｊ－ｉｉ—七＇，ｉ：丨ｉ］逡逑°ｉ0邋—逦１００逦１０００逦１００００逡逑Ｐｏｗｅｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋（Ｗ／ｋｇ）逡逑图１．１超级电容器和各类电池的能量功率对比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ邋ａｎｄ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑１逡逑

超级电容器,结构示意图

级电容器作为能源动力在轨道交通、城市客车上取得了巨大的成就，在保加逡逑亚、塞尔维亚、以色列都能见到上海奥威生产的超级电容公交车，标志着中逡逑超级电容器的发展达到国际领先水平。逡逑２．邋２超级电容器的结构和种类逡逑超级电容器的结构如下图１．２所示，主要由电极材料、电解液、隔膜和集逡逑体这四个部分组成［１５＿１８］。其中，电极材料主要由活性材料，导电剂和粘结剂逡逑三部分组成。活性材料主要包括碳材料、金属氧化物／硫化物和导电聚合物这逡逑类，是超级电容器的重要部分，具有存储电荷和能量的作用。电解液主要包逡逑水系电解液和有机电解液，为电容器在电荷传输过程中提供离子。隔膜足为逡逑防止正负极接触从而导致短路，目前常川的足聚丙烯膜。集流体是电极材料逡逑负载体，与外部电路相连，起到降低电极材料内阻的作用，常用的有泡沫镍，逡逑电玻璃，，铝箔等［１９］。逡逑
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM53

【相似文献】