过渡金属氧化物基复合材料的制备及电化学储能性质研究
发布时间：2020-05-05 06:01
【摘要】：随着化石燃料的枯竭,人们开始研究风能、太阳能、潮汐能等众多新能源,因此我们需要开发新型储能装置。在众多的储能装置中,超级电容器由于其功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、温度范围宽、环保、免维护等一系列优点引起了广泛的关注。作为一种新型储能装置,在可穿戴的电子设备、电动汽车等领域中,超级电容器展现出了巨大的应用前景。电极材料是决定超级电容器性能优劣的关键因素之一。目前,碳材料、金属氧化物和导电聚合物是超级电容器的主要电极材料。鉴于此,本论文设计了如下几个工作:(1)在水为溶剂,乙酸钠存在的条件下,以FeCl_3·6H_2O为唯一铁源、C_6H_(12)O_6为碳源,一步水热合成了α-Fe_2O_3@C复合材料。通过X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪(Raman)等表征手段对复合材料的结构、组成和形貌进行表征。并且利用电化学工作站,对α-Fe_2O_3@C复合材料进行循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等一系列的电化学性能测试。实验中,葡萄糖用量的不同促使α-Fe_2O_3@C表面的粗糙度不同,因此电性能具有较大差异。结果表明,当葡萄糖用量为1mmol时,α-Fe_2O_3@C复合材料的超级电容性能最优异(1A/g时,比电容量为288 F/g),同时具有较好的循环稳定性(2000次循环后保留初始值的72.3%)。(2)以MnCl_2·4H_2O为唯一锰源、C_6H_(12)O_6为碳源、水为溶剂,在尿素存在的条件下,通过一步水热法制备得到前驱体MnCO_3@C的复合材料,将前驱体MnCO_3@C在不同气氛和温度条件下处理,分别得到了MnO_2、Mn_2O_3、MnO及Mn_3O_4四种物相不同的锰的氧化物,并研究了前驱体及四种锰的氧化物的电化学性能。实验结果显示,前驱体MnCO_3@C在电流密度为1A/g时,比电容达到119.2 F/g,并且前驱体的循环稳定性良好(在2A/g的电流密度下循环2000次后,比电容剩余64.8%)。四种物相不同的锰的氧化物中,Mn_2O_3的电化学性能最为优异,具体表现为当电流密度为1A/g时,比电容为248.8 F/g,同时电极材料Mn_2O_3的循环稳定性优异(在2A/g的电流密度下循环2000次后,比电容量依旧保留原来的76.1%)。(3)MOF材料是有机无机杂化材料,其特点是具有较大的比表面积且能控制孔的结构,因此得到了广泛地关注。本文通过外延生长法制备出菱形正十二面体的ZIF-67@ZIF-8复合材料,再将该复合材料分别在氮气和空气中进行热解处理,最终得到Co_3O_4@氮掺杂的多孔碳复合材料(Co_3O_4@N-PC)。实验中,我们通过控制锌盐的用量来控制孔径的大小。结果表明,用作超级电容器电极材料时,当电流密度为1A/g,比电容值可以达到422.8F/g,同时该电极材料也拥有良好的循环稳定性,在2A/g的电流密度下循环5000圈后,电容量依旧保留87.9%。这些研究对于开辟探索金属氧化物/碳电极材料具有指导性意义,并通过结构和组成的改进来提高金属氧化物/碳复合材料的超级电容性能。
【图文】：
型的设计使得电容器具有 1F 的电容，并且高于相同尺寸的电解电容器[11]。Brian Evans 在 1975-1980 年期间着重研究了氧化钌，并开发了电化学电容器。他也提出了一种解释：为什么超级电容器和电池在电化学储能方面表现出不同的性能[12]，在这一时期，超级电容器已作为能源储存设备用于时钟芯片上。1982 年，在 Pinnacle 研究所首次开发出低内阻的军用超级电容器，并被称为“PRI 超级电容器”。另一个实验室 Maxwell 从 PRI 中优先使用超级电容器这个术语，并在 1992 年将其命名为“BoostCaps”，以重点突出它们在能源储存中的用途[13]。目前，超级电容器应用于生活中的方方面面，比如柔性可穿戴电子设备，超级电容客车。能量密度和功率密度是我们衡量储能装置的重要指标，而关于如何提高能量密度又是目前我们研究的重中之重，在图 1.1 中我们可以看到能量密度公式为 E=CV2/2，因此提高能量密度的有效方法即为比电容量的提高以及工作电势窗口的提升[14]，而影响电容的因素主要有：孔径、比表面积、氧化还原电容和电导率，提高电压窗口的方法主要有：有机电解液、离子性液体和不对称超级电容器[15]。
图 1. 2 超级电容器的分类Figure 1. 2 Classification of different supercapacitors.1.3.1 双电层电容器双电层电容器通常采用具有高比表面积的碳材料作为电极，，主要包括：碳毡、活、碳纤维、碳气凝胶、以及当前研究较为火热的材料，比如碳纳米管、碳纳米片和烯[19]。其原理是利用电解液和电极两者之间形成双电层来存储电荷的，其工作原理 1.3 所示。双电层电容器的电容值可以表示为： = 4 （式 1.1 中， 是介电常数，s 是比表面积，d 是双电层间的距离，从公式中可以看出高电容值主要是通过提高电极材料的比表面积来实现，使比表面积尽可能地大，鉴，双电层电容器电极材料的研究主要致力于碳材料上。碳材料作为双电层电容器的电极，其比表面积大、循环稳定性优异、电势窗口宽。但是碳基材料的缺点也是很
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
本文编号：2649654
【图文】：
型的设计使得电容器具有 1F 的电容，并且高于相同尺寸的电解电容器[11]。Brian Evans 在 1975-1980 年期间着重研究了氧化钌，并开发了电化学电容器。他也提出了一种解释：为什么超级电容器和电池在电化学储能方面表现出不同的性能[12]，在这一时期，超级电容器已作为能源储存设备用于时钟芯片上。1982 年，在 Pinnacle 研究所首次开发出低内阻的军用超级电容器，并被称为“PRI 超级电容器”。另一个实验室 Maxwell 从 PRI 中优先使用超级电容器这个术语，并在 1992 年将其命名为“BoostCaps”，以重点突出它们在能源储存中的用途[13]。目前，超级电容器应用于生活中的方方面面，比如柔性可穿戴电子设备，超级电容客车。能量密度和功率密度是我们衡量储能装置的重要指标，而关于如何提高能量密度又是目前我们研究的重中之重，在图 1.1 中我们可以看到能量密度公式为 E=CV2/2，因此提高能量密度的有效方法即为比电容量的提高以及工作电势窗口的提升[14]，而影响电容的因素主要有：孔径、比表面积、氧化还原电容和电导率，提高电压窗口的方法主要有：有机电解液、离子性液体和不对称超级电容器[15]。
图 1. 2 超级电容器的分类Figure 1. 2 Classification of different supercapacitors.1.3.1 双电层电容器双电层电容器通常采用具有高比表面积的碳材料作为电极，，主要包括：碳毡、活、碳纤维、碳气凝胶、以及当前研究较为火热的材料，比如碳纳米管、碳纳米片和烯[19]。其原理是利用电解液和电极两者之间形成双电层来存储电荷的，其工作原理 1.3 所示。双电层电容器的电容值可以表示为： = 4 （式 1.1 中， 是介电常数，s 是比表面积，d 是双电层间的距离，从公式中可以看出高电容值主要是通过提高电极材料的比表面积来实现，使比表面积尽可能地大，鉴，双电层电容器电极材料的研究主要致力于碳材料上。碳材料作为双电层电容器的电极，其比表面积大、循环稳定性优异、电势窗口宽。但是碳基材料的缺点也是很
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【参考文献】
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1 王东杰;竺哲欣;竺江峰;;超级电容器技术及其低碳经济意义[J];物理通报;2011年02期
2 张治安,邓梅根,胡永达,杨邦朝;电化学电容器的特点及应用[J];电子元件与材料;2003年11期
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1 丛文博;聚苯胺及其复合材料电容性能研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
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1 李陆;过渡金属氧化物电极材料的制备及电化学储能性能的研究[D];浙江大学;2015年
本文编号：2649654
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