导电高聚物和钛基纳米材料的电化学储能研究
发布时间：2020-08-31 16:10
能量储存体系在生活中扮演着越来越重要的角色,而超级电容器和电池就是最前沿、最重要的两种。在过去的几年中,导电高分子基的电极材料因为其高的氧化还原电容,高导电性,最重要的是其固有的柔韧性,而被广泛地应用于制作柔性超级电容器;而因为当材料的尺寸达到纳米尺度时,其电学性质、化学性质以及机械性能等都有很大的提升,因此,近来电池的发展很大程度上关注于将电极材料纳米化来提高电池的性能。因此本论文就这两方面做了以下两个工作,分别制备出了一种柔性电极材料和一种纳米电极材料。其主要研究结果如下:(1)BC纳米纤维本身具有极细的直径(40-50 nm)和优异的机械性能,而且拥有亲水性官能团如-OH和-COOH等。而PEDOT因其高的工作电压(大约1.2 V)和优异的稳定性,而成为制备柔性超级电容器最受欢迎的导电高聚物之一。因此,我们利用BC本身固有的亲水性吸附氧化剂在其表面,并利用EDOT在水中极小的溶液度,控制EDOT的聚合速率,使其缓慢规整的聚合在其表面,从而得到一种超薄(大约12μm)的具有三维多孔结构的柔性自支撑BC-PEDOT电极。这种柔性电极的面积比电容在1 mA cm~(-2)的电流密度下达到442.2 mF cm~(-2)。而且其组装成的柔性全固态对称超级电容器,在0.83 A cm~(-3)的电流密度下单位体积容量可达到106.3 F cm~(-3),而且其电化学性能在各种柔性状态下依然保持稳定。(2)具有开放结构通道和足够大层间距的K系钛酸盐有利于Li~+/Na~+的脱嵌和扩散。而电极材料的纳米化对于Li~+/Na~+的快速嵌入和脱出,缩短扩散路径以及电子到集流体的快速转移是很有效的。因此,我们制备并研究了K_2Ti_4O_9纳米带、KTi_8O_(16.5)微米棒和KTi_8O_(16.5)纳米带三种阵列材料在作为锂/钠离子电池负极上的性能。通过分析比较它们的晶体结构和形貌结构以及电化学性能,来研究它们的储锂、储钠能力。我们发现纳米结构的钛酸钾要比微米结构的钛酸钾的储锂、储钠能力好的多;而与K_2Ti_4O_9纳米带阵列相比,具有更大层间距的KTi_8O_(16.5)纳米带阵列的储锂、储钠能力更强。KTi_8O_(16.5)纳米带阵列电极在200 mA g~(-1)的电流密度下,锂离子电池容量高达601.7 mAh g~(-1),钠离子电池容量可达246.4 mAh g~(-1)。而且,在5A g~(-1)的电流密度下,经过10000次的循环后,其钠离子电池的容量为61.95 mAh g~(-1),容量保持率可达94.3%。结果表明,具有良好的储锂、储钠能并且安全稳定的KTi_8O_(16.5)纳米带阵列在作为锂离子电池和钠离子电池的负极材料上是很有前途的。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM53;TB383.1
【部分图文】：
图 1-1 各种电子能量储存器件单位功率对单位能量的比较图，也叫能量比较图[3]。自 1990 年（此前，Whittingham、Scrosati 和 Armand[4]进行了开创性的研究）索尼公司推出了锂离子电池以来，锂离子电池已经在便携式电子器件、电动汽车和大规模能量储存等方面得到广泛应用[5,6]。锂离子电池-因为其高能量密度、电压高、自放电低、环境友好、设计灵活性等优点[7,8]在基础研究和应用层面受到了广泛的关注——目前的表现优于其他系统，占全球便携式电池销售额的 63%[9]。虽然锂电池拥有高的能量密度，但是锂离子电池在一定程度上受到了功率密度的限制，因为其较慢的功率传输或吸收，而在大量的应用中需要更快、更高功率的能量储存系统，而这时候，超级电容器就开始发挥作用了[10]。超级电容器可以在几秒钟之内完全放电或充电完毕，这就导致其功率密度可以达到 10kWkg-1。因此，其在一些能量储存领域，例如不间断电源（用于防止电力中断的备用电源）、国防设备、柔性储能器件、电动汽车以及一些其他大功率电子器件等，发挥着重要的的作用[11]。最近的一个例子就是电
图 1-2 双电层超级电容器的充放电示意图[20]。之后 Gouy、Chapman、Stern 和 Geary 又对其进行了精简[21]，因为电容都是离子在电极与电解液界面处累积形成双电层产生的，只有电解质不同，所以电容在 5 到20 μFcm 2之间波动，而由公式 1-2 可知电容器对能量的储存量与电压的平方成正比，公式 1-2 如下所示： =12 2(1-2)因此，虽然一般水系电解质下的电容比有机电解质下的高，但是在有机电解质中电容器的操作电压要高得多，对称条件下甚至可以达到 2.7 伏，所以有机电解质的应用反而更加广泛一些。EDLC 的形成是静电吸附的结果，在电极中没有氧化还原反应的存在，靠的是高的比表面积。而这与电池相比，就有有很大的不同，因为是通过静电吸附储存电荷，而这种储存机制要比通过氧化还原反应储存电荷快得多，因此，EDLC 的功率要好的多，而且不存在极化电阻和体积膨胀等安全问题。所以，EDLC 可以持续数百万次的
液中选择性氧化来增大 SSA 和孔隙率。来自大自然的原料，沥青、煤或者一些合成材料如高分子等都可以作为前驱体使用米的微孔，还是 2 到 50 纳米之间的中孔，亦或是大于 50 纳米过上诉方法处理后，在碳材料中得到。而也因此，碳材料的孔尺寸有一个很广阔的分布范围，所以碳材料的微观结构以及性。虽然碳材料在水系电解质中的电容要稍高于有机电解质中分解限制了电解质的电压窗口，导致做组装的器件的工作电压LC 器件的典型循环伏安（CV）曲线在图 1-3 中得到展示。它电层电容机制的电容器电荷储存的 CV 曲线的典型特征。根 = × 是电流，（dV/dt）是电压扫描速率，而 C 代表的则是双电层个 EDLC 的 CV 曲线，其呈矩形，可以看出，同一个电容器，下，电流则不变，与公式 1-3 相对应。
本文编号：2809031
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM53;TB383.1
【部分图文】：
图 1-1 各种电子能量储存器件单位功率对单位能量的比较图，也叫能量比较图[3]。自 1990 年（此前，Whittingham、Scrosati 和 Armand[4]进行了开创性的研究）索尼公司推出了锂离子电池以来，锂离子电池已经在便携式电子器件、电动汽车和大规模能量储存等方面得到广泛应用[5,6]。锂离子电池-因为其高能量密度、电压高、自放电低、环境友好、设计灵活性等优点[7,8]在基础研究和应用层面受到了广泛的关注——目前的表现优于其他系统，占全球便携式电池销售额的 63%[9]。虽然锂电池拥有高的能量密度，但是锂离子电池在一定程度上受到了功率密度的限制，因为其较慢的功率传输或吸收，而在大量的应用中需要更快、更高功率的能量储存系统，而这时候，超级电容器就开始发挥作用了[10]。超级电容器可以在几秒钟之内完全放电或充电完毕，这就导致其功率密度可以达到 10kWkg-1。因此，其在一些能量储存领域，例如不间断电源（用于防止电力中断的备用电源）、国防设备、柔性储能器件、电动汽车以及一些其他大功率电子器件等，发挥着重要的的作用[11]。最近的一个例子就是电
图 1-2 双电层超级电容器的充放电示意图[20]。之后 Gouy、Chapman、Stern 和 Geary 又对其进行了精简[21]，因为电容都是离子在电极与电解液界面处累积形成双电层产生的，只有电解质不同，所以电容在 5 到20 μFcm 2之间波动，而由公式 1-2 可知电容器对能量的储存量与电压的平方成正比，公式 1-2 如下所示： =12 2(1-2)因此，虽然一般水系电解质下的电容比有机电解质下的高，但是在有机电解质中电容器的操作电压要高得多，对称条件下甚至可以达到 2.7 伏，所以有机电解质的应用反而更加广泛一些。EDLC 的形成是静电吸附的结果，在电极中没有氧化还原反应的存在，靠的是高的比表面积。而这与电池相比，就有有很大的不同，因为是通过静电吸附储存电荷，而这种储存机制要比通过氧化还原反应储存电荷快得多，因此，EDLC 的功率要好的多，而且不存在极化电阻和体积膨胀等安全问题。所以，EDLC 可以持续数百万次的
液中选择性氧化来增大 SSA 和孔隙率。来自大自然的原料，沥青、煤或者一些合成材料如高分子等都可以作为前驱体使用米的微孔，还是 2 到 50 纳米之间的中孔，亦或是大于 50 纳米过上诉方法处理后，在碳材料中得到。而也因此，碳材料的孔尺寸有一个很广阔的分布范围，所以碳材料的微观结构以及性。虽然碳材料在水系电解质中的电容要稍高于有机电解质中分解限制了电解质的电压窗口，导致做组装的器件的工作电压LC 器件的典型循环伏安（CV）曲线在图 1-3 中得到展示。它电层电容机制的电容器电荷储存的 CV 曲线的典型特征。根 = × 是电流，（dV/dt）是电压扫描速率，而 C 代表的则是双电层个 EDLC 的 CV 曲线，其呈矩形，可以看出，同一个电容器，下，电流则不变，与公式 1-3 相对应。
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 李少慧;超级电容器材料的制备及其性能研究[D];华中科技大学;2015年
相关硕士学位论文 前3条
1 林沃荣;石墨烯基复合储能材料的制备及其在超级电容器中的应用[D];暨南大学;2015年
2 牛丽丽;碳酸锂包覆碳微球材料的制备及其电池表现[D];山西师范大学;2015年
3 丁翻;EQCM研究电解质对MnO_2电化学电容性能的影响[D];郑州大学;2012年
本文编号：2809031
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2809031.html
