磷氮共掺石墨烯复合材料的超级电容性能研究
发布时间：2020-08-13 07:01
【摘要】：超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、环境友好和超长使用寿命等优点,是当前能源转换和存储领域的研究热点。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一,探索和研制具有高比电容、高能量密度和长循环性能的电极材料己成为促进超级电容器技术应用和发展的关键。目前广泛采用的超级电容器碳基电极还存在比容量低、能量密度不足等问题,己日趋不能满足电子器件尤其是动力设备高速发展对电源大容量、高效率的需求。掺杂改性的石墨烯复合材料具有丰富的活性位点、大的比表面积、高的比电容和高的能量密度等优点,是超级电容器电极材料的热门选择。本文通过选取合适的磷、氮掺杂源与氧化石墨烯结合,制备了磷氮共掺石墨烯复合材料,并研究了其作为超级电容器电极的电化学性能。主要研究内容如下:(1)以邻苯二胺(OPD)为氮源、磷酸(H3P04)为磷源,通过与氧化石墨烯(GO)水热反应得到具有三维结构的复合水凝胶,经六水氯化铁(FeC13.6H20)聚合再高温碳化活化制备了多级孔磷氮共掺石墨烯/碳复合材料(P/N-GC)。该材料具有典型的层级多孔结构和高的比表面积以及相对较高的磷氮掺杂量,具有较好的超级电容性能。三电极系统中,P/N-GC电极材料在碱性电解液中0.5 Ag-1电流密度下质量比电容和体积比电容分别高达440Fg-1和387.2Fcm-3,电流密度从0.5到20 Ag-1的电容保持率为62.5%,且3000次循环后仍保持96.3%初始比电容。将其组装成对称超级电容器器件(P/N-GC//P/N-GC),在6MKOH水性电解质中的最高能量密度和功率密度分别为25.5Whkg-1和14960Wkg-1;在1MLiPF6有机电解质中的能量密度和功率密度为 62.5 Wh kg-1 和 29480 W kg-1。(2)将邻苯二胺(OPD)和羟基乙叉二膦酸(HEDP)与大孔氧化石墨烯(HGO)溶液混合,采用先水热再高温碳化的方法制备了氮磷掺杂大孔石墨烯/碳复合材料(N-P-HGC)。液氮等温吸附测试表明,制备的材料具有明显的中孔和大孔结构。这种结构有利于电解液和电极的有效接触,同时为电解质提供快速的离子通道,缩短了扩散路径。组装成三电极系统,在1MH2S04电解液中,0.5Ag-1电流密度下,N-P-HGC-700电极比电容为334 Fg 1;即使电流密度升高至50 Ag-1时,比容仍为178.8 F g-1,比容保持率高达53.3%,表现出优异的倍率性能;5000个循环后的比容损失仅为3.8%,表现出很好的循环稳定性。将N-P-HGC-700电极用PVA/H2SO4凝胶作为电解质组装成全固态对称超级电容器(ASSs),在0.5 A g-1电流密度下表现出290 F g-1的比电容值;在349 W kg-1功率密度下表现出19.7 Wh kg-1的能量密度。另外,在1 M Na2SO4中性电解液里的能量密度可达29.8 Whkg-1(349Whkg-1),并在4000个循环后仍有93%的电容保持率。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53
【图文】：
在成本相对较高、功率密度相对较低和电池组装条件苛刻等问题。超级电容器逡逑（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｄｔｏｒｓ）具有比传统电容器更高的能量密度，比锂离子电池更高的功率密逡逑度（如图１．１），展现出广阔的发展空间和应用前景，引起了人们的极大关注，成为逡逑储能器件领域发展的前沿热点［５］。逡逑逦逦逦逡逑｜邋逦＾逡逑！１0３逦二－－逡逑０．０１逦０．０５邋０．１逦０．５邋１逦５邋１０逦５０１００逦５００１０００逡逑Ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（Ｗｈ／ｋｇ）逡逑图ｌ．ｌ不同储能装置Ｒａｇｏｎｅ图逡逑１．２超级电容器逡逑１．２．１超级电容器的发展历史与特点逡逑超级电容器，又称双电层电容器、黄金电容或赝电容电容器，是一种新型储能装逡逑置［６］。超级电容器的起源可追溯到１９５７年，Ｂｅｃｋｅｒ发表的相关专利中描述到将电荷逡逑存储在充满水性电解液的多孔碳电极界面双层中，并指明这种现象可以产生于所有逡逑的固体／电解质界面。１９６９年，美国Ｏｈｉｏ邋Ｋｅｒｒｅｙ标准石油公司（Ｓ０ＨＩ０）首次实现逡逑将其商业化。１９７８年由日本ＮＥＣ公司首次向市场推出商业化的标名为“Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ”逡逑的双电层电容产品。同年，日本松下公司设计出以活性炭作为电极材料的双电层电逡逑１逡逑
１．２．３．３混合型电容器逡逑混合型超级电容器又称超级电容器一电池混合系统，一端是以离子吸附为主的逡逑电容器电极，另一端是以锂离子的嵌入／插层为主的锂离子电池电极，如图１．４［１８１与逡逑传统双电层电容器相比，混合型电容器具有更高的能量／功率比，同时又具有快速充逡逑放电能力，在近几年引起了研究者的广泛关注。Ｌｉ等人采用氮（Ｎ）掺杂活性炭和硅逡逑／碳（Ｓｉ／Ｃ）电极组装成的复合超级电容器在拥有高功率密度为１７４７邋Ｗ邋ｋｇ－１的同时，逡逑能量密度高达２３０邋Ｗｈ邋ｋｇ－１，且在１．６邋Ｖ窗口下循环８０００次的电容保持率为７６．３％［１８】。逡逑混合型电容器是一种介于超级电容器和锂电池之间的储能装置，可作为现代电子、交逡逑通器具等行业理想的动力电源，有望成为未来储能器件的主力军。逡逑Ｓｉｒｔｔｄｆｙ逡逑＋逦＊逦４逡逑Ｋ邋？邋？Ｖｒ，一邋ｊ逦ｆ逡逑＼邋＊逡逑Ｘ逦Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ邋Ｈｙｂｒｉｄ逡逑＼邋？邋？逡逑＿逡逑图１．４由双电层电容器和锂离子电池组成的混合装置逡逑１．２．４超级电容器的电极材料逡逑目前
图.毛.心.两州为
本文编号：2791685
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53
【图文】：
在成本相对较高、功率密度相对较低和电池组装条件苛刻等问题。超级电容器逡逑（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｄｔｏｒｓ）具有比传统电容器更高的能量密度，比锂离子电池更高的功率密逡逑度（如图１．１），展现出广阔的发展空间和应用前景，引起了人们的极大关注，成为逡逑储能器件领域发展的前沿热点［５］。逡逑逦逦逦逡逑｜邋逦＾逡逑！１0３逦二－－逡逑０．０１逦０．０５邋０．１逦０．５邋１逦５邋１０逦５０１００逦５００１０００逡逑Ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（Ｗｈ／ｋｇ）逡逑图ｌ．ｌ不同储能装置Ｒａｇｏｎｅ图逡逑１．２超级电容器逡逑１．２．１超级电容器的发展历史与特点逡逑超级电容器，又称双电层电容器、黄金电容或赝电容电容器，是一种新型储能装逡逑置［６］。超级电容器的起源可追溯到１９５７年，Ｂｅｃｋｅｒ发表的相关专利中描述到将电荷逡逑存储在充满水性电解液的多孔碳电极界面双层中，并指明这种现象可以产生于所有逡逑的固体／电解质界面。１９６９年，美国Ｏｈｉｏ邋Ｋｅｒｒｅｙ标准石油公司（Ｓ０ＨＩ０）首次实现逡逑将其商业化。１９７８年由日本ＮＥＣ公司首次向市场推出商业化的标名为“Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ”逡逑的双电层电容产品。同年，日本松下公司设计出以活性炭作为电极材料的双电层电逡逑１逡逑
１．２．３．３混合型电容器逡逑混合型超级电容器又称超级电容器一电池混合系统，一端是以离子吸附为主的逡逑电容器电极，另一端是以锂离子的嵌入／插层为主的锂离子电池电极，如图１．４［１８１与逡逑传统双电层电容器相比，混合型电容器具有更高的能量／功率比，同时又具有快速充逡逑放电能力，在近几年引起了研究者的广泛关注。Ｌｉ等人采用氮（Ｎ）掺杂活性炭和硅逡逑／碳（Ｓｉ／Ｃ）电极组装成的复合超级电容器在拥有高功率密度为１７４７邋Ｗ邋ｋｇ－１的同时，逡逑能量密度高达２３０邋Ｗｈ邋ｋｇ－１，且在１．６邋Ｖ窗口下循环８０００次的电容保持率为７６．３％［１８】。逡逑混合型电容器是一种介于超级电容器和锂电池之间的储能装置，可作为现代电子、交逡逑通器具等行业理想的动力电源，有望成为未来储能器件的主力军。逡逑Ｓｉｒｔｔｄｆｙ逡逑＋逦＊逦４逡逑Ｋ邋？邋？Ｖｒ，一邋ｊ逦ｆ逡逑＼邋＊逡逑Ｘ逦Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ邋Ｈｙｂｒｉｄ逡逑＼邋？邋？逡逑＿逡逑图１．４由双电层电容器和锂离子电池组成的混合装置逡逑１．２．４超级电容器的电极材料逡逑目前
图.毛.心.两州为
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 陈英放;李媛媛;邓梅根;;超级电容器的原理及应用[J];电子元件与材料;2008年04期
本文编号：2791685
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