基于石墨烯微球的赝电容复合材料的制备及其储能研究

发布时间：2020-05-28 04:01

【摘要】：在各种的新兴储能装置中,超级电容器基于高功率密度,快速的充放电效率,优异的循环稳定性,工作范围广和环境友好等优势被研究人员广泛关注,并在各领域呈现出巨大应用潜质。当前研究的超级电容器电极材料主要集中在碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物,以及复合材料等方面。作为一种新型二维碳材料,石墨烯在电学和力学方面的优异性能使其成为超级电容器最具潜力的电极材料。石墨烯具有优异的双电容性质和杰出的导电性,但石墨烯片层严重的团聚问题,限制了在实际应用中石墨烯性能的发挥,难以满足超级电容器的高比容量要求。本论文从这一难题出发,通过喷雾干燥的方式将石墨烯制备成三维球形结构,改善石墨烯团聚问题,提高石墨烯微球的比表面积,有利于其在超级电容器方面的应用。过渡金属氧化物具有优良的赝电容性能,因此针对石墨烯能量密度低的不足,我们采用廉价的锰镍氧化物与石墨烯微球复合制备具有高比电容、高能量密度的赝电容复合材料,充分发挥各材料的性能优势,弥补彼此的不足。通过SEM、TEM、XRD、TGA和电化学测试等表征手段,对制备的材料结构、性能进行分析,研究结果显示如下:(1)以导电炭黑为成球剂,采用喷雾干燥的方式获得石墨烯微球材料。当石墨烯与炭黑的质量比为2:1时,石墨烯微球具有均匀的球形结构,平均直径为2.5μm。BET测试结果显示该球形材料具有较为优异的孔径分布和比表面积(161 m2/g),孔径集中在2.0nm左右,最大的微孔体积是0.076m3/g。电化学性能测试表明当电流密度为1A/g时,该石墨烯微球电极的单位比电容可达89 F/g,而且在高电流密度下也表现出杰出的双电层可逆性能。(2)以石墨烯微球为载体,通过一步水热法成功制备了四氧化三锰/石墨烯复合材料。研究结果显示,合成的Mn304纳米片在物理作用力下均匀的嵌在石墨烯微球面上,形成了有利于电解液离子传输的三维多孔网状结构,极大提高材料的赝电容性能。通过CV、GCD和EIS比较分析得,Mn304NPs/GSs复合材料在电学性能上优越于片状石墨烯复合材料。当扫描速率为10mV/s时,单位比电容高达317 F/g。而且,4000次的恒流充放电循环测试下,材料也展示出突出的循环稳定性能,电容值几乎保持不变。(3)在镍基复合材料的研究中,采用硫酸镍与尿素作反应物,在水热条件下反应,实现了花状Ni(OH)2在石墨烯微球表面生长。实验探讨了不同条件对Ni(OH)2/GSs复合材料形貌结构的影响。研究结果表明,当反应物NiS04和CH4N2O摩尔比为1:4,150℃水热反应3h时,复合材料具有均一的微观形貌和完整的结构,表面负载的花状氢氧化镍更加稀薄,更有利于赝电容性能的发挥。电化学性能测试中,当电流密度为0.5A/g时,Ni(OH)2/GSs复合材料的单位质量比电容达到1262 F/g左右,展示出良好的导电性能和电容性能。说明制备的复合材料兼具了各组分的性能特性,在储能应用领域具有较大的前景。
【图文】：

逑｝＝ｉ逦Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ逦ｊ＾Ｊ逡逑图１－２超级电容器的结构组成逡逑根据储能机制的差异，超级电容器可分为三种：双电子层电容器、法拉第赝逡逑电容器以及混合型电容器。逡逑双电层电容器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ，邋ＥＤＬＣ）的储能机理建立在亥逡逑姆霍兹１Ｓ５３年提出的双电层理论上，即溶剂化的离子在电极与电解液的两相界逡逑面上形成正负电荷紧密排列的双电层［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ储能原理如图１－３所示，充逡逑电时电解液中的阴阳离子在外加电场的作用下发生定向迁移，这样在界面间的异逡逑性电荷的静电相互作用下，形成双电层结构进行储能。放电时，两电极上的电荷逡逑沿外电路由负极流向正极并产生电流，同时界面上的电解液离子发生脱附，返回逡逑电解液中

双电层电容器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ，邋ＥＤＬＣ）的储能机理建立在亥逡逑姆霍兹１Ｓ５３年提出的双电层理论上，即溶剂化的离子在电极与电解液的两相界逡逑面上形成正负电荷紧密排列的双电层［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ储能原理如图１－３所示，，充逡逑电时电解液中的阴阳离子在外加电场的作用下发生定向迁移，这样在界面间的异逡逑性电荷的静电相互作用下，形成双电层结构进行储能。放电时，两电极上的电荷逡逑沿外电路由负极流向正极并产生电流，同时界面上的电解液离子发生脱附，返回逡逑电解液中，因此该储能机理只是个物理迁移过程，不涉及化学反应，电解质浓度逡逑保持不变［２２］。这就要求电解液具有高的电导率，才能保证高的双电层电容，超长逡逑的循环稳性［２３］。逡逑＿神）＝逦＾逦１逡逑：＇邋ｇ逦，逦＋逦：，邋．ｖ］逡逑ｓ逦－ｒ邋｜ｉ逦Ｍ—ｒ：４逡逑Ｉ逦？邋－邋Ｉ邋；Ｉ逡逑＇１邋ｙ逡逑丨Ｉ邋’逦＾邋１邋ｗｌ逡逑逦１逦邋Ｅ？ｉｔ－0；／ｉｅ邋逦逡逑＇逦＇＇邋Ｈ－３．６ｔ0逦ｆｔｅ＾ｌｒｏｏｐ逡逑图１－３双电层电容器的储能机理
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】

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本文编号：2684672