镍基复合材料的设计、制备以及超级电容器的性能研究
发布时间：2020-10-30 01:12
随着储能器件的快速发展,超级电容器越来越受到人们的不断关注与研究。超级电容器具有可实现快速充放电、安全性能稳定、高能量密度与功率密度等特点。为了研制高性能的超级电容器器件,研究与开发具备有形貌独特,电化学性能优异的电极材料成为超级电容器的关键问题。镍基材料作为过渡金属化合物在超级电容器电极材料的应用十分广泛,具有高比电容量、性能稳定、形貌特征多样化等特点。本文从形貌、结构以及功能出发,设计并成功制备了以镍基材料为主的多种复合物电极材料。通过研究其结构、形貌、电化学性能等方面,阐述其材料的独特优点。主要研究内容可概括为以下几个方面:通过高温高压反应釜合成NiO/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料,该方法制备过程简单高效,避免通过高温煅烧还原氧化石墨烯纳米片的过程,同时在水热过程中,加入氨水既能够掺杂非金属氮元素,提高石墨烯的导电能力,又能够通过碱性条件下对石墨烯纳米片具有一定的裁剪作用,提高整体材料的比表面积,有利于复合材料在充放电过程中存储和释放电荷。复合材料在恒电流为1A·g-1的条件下,其放电比电容达到233 F·g-1,且经过8000次循环寿命测试,依然能够容量保持率达到86%,其电化学稳定性高,可实现长时间的运行与操作。通过水热法合成纳米花状Ni8-Co-P-O电极材料,改变掺杂Co元素的质量比。利用Ni、Co两种金属在氧化还原反应过程中的协同作用,提高电化学性能。当Ni:Co质量比为8:1时,制备的纳米花状结构Ni8-Co-P-O电化学性能最佳,在恒电流测试电流密度为1A·g-1条件下,其材料赝电容比电容达到956 F·g-1。同时为了更好的证明合成材料的商用价值,将其组装成混合型超级电容器,窗口电压高达1.8V。在恒电流密度为1A·g-1条件下,器件的比电容达到106F·g-1。通过化学沉积法在处理后的Ni foam上沉积纳米管状材料FeCo2O4,再通过电化学循环伏安法制备纳米片CoNi2S4负载在FeCo204管壁上。通过控制电镀反应时间,力求达到最佳的性能,并研究复合材料的形貌、结构,测试电极材料的电化学性能。SEM图能够清晰看到由于电镀时间的不同的区别。TEM图显示纳米片负载在管状材料的管壁上,并从中看到管状内径以及长度大小。在三电极体系下测量电镀10圈条件下的复合材料,测试结果表明,在恒电流密度为5 mA·cm-2下,合成电极材料的比电容达到11.607 F·cm-2。
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TM53
【部分图文】：
安徽理工大学硕士学位论文器概述??容器简介及结构??（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）是一种通过极化电解质来储存间的储能器件，既具有传统电容器特性即可以实像锂离子电池、铅蓄电池等储能电池的储能特性。ｌｍｈｏｌｔｚ提出双电荷概念并以此建立双电层平板模以及溶液中的剩余电荷都紧密排列在电极两侧，器的双层结构［６］。而后，Ｃｏｎｗａｙ于１９５７－１９８１年物具有良好的容抗特性，在充放电过程中并非发应，故提出在赝电容体系下的超级电容器［Ｗ。??
１．２．２．１双电层电化学超级电容器的工作原理??从１８５３年，科学家Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ提出双电层模型，揭示了其本质原理，并以此??为基础发展。双电层超级电容器的结构如图１．２所示，由于正负离子在固体电极和??电解液之间的表面吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储，??值得注意的是其储能过程仅仅发生物理变化，没有化学反应参与其中，且充放电??过程完全可逆：充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液的阴阳离子分??别聚集在两个固体电极表面；放电时，阴阳离子离开电极表面，返回电解液本体。??＂Ｔ１?－?＋「??：；?！?＋＿＋＿??＋?＋■＋－－?＋?＋?－?－??〔＋＿?＋＿＝１?ｉ＝?＋?＿?＝｜??＋?－?＋?－??＋?－?＋?－?＋?－?＋?－??４－?－?＋??????一?（ａ）充电?（ｂ）放电??图１．２双电层电容器在充放电条件下的电解质分布??Ｆｉｇ?１．２．?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ?ｉｎ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??计算双电层超级电容器容量可采用平行板电容器公式（ｌ－ｌ）计算??ｃ＝ａ．Ｍ＾?（ｉ－ｉ）??ｄ??在这里Ｓｒ?（无量纲常数）即为相对介质电解液的常数；ＳＯ为真空介质常数；ｄ为双??电层电容器的相对有效厚度；Ａ为电解液离子接触到电极的有效接触面积。根据??平板电容器计算公式，双电层电容器的比电容大小与相对有效厚度成反比，与电??极材料的有效接触面积成正比。根据存储机理的研究
１．２．２．１双电层电化学超级电容器的工作原理??从１８５３年，科学家Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ提出双电层模型，揭示了其本质原理，并以此??为基础发展。双电层超级电容器的结构如图１．２所示，由于正负离子在固体电极和??电解液之间的表面吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储，??值得注意的是其储能过程仅仅发生物理变化，没有化学反应参与其中，且充放电??过程完全可逆：充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液的阴阳离子分??别聚集在两个固体电极表面；放电时，阴阳离子离开电极表面，返回电解液本体。??＂Ｔ１?－?＋「??：；?！?＋＿＋＿??＋?＋■＋－－?＋?＋?－?－??〔＋＿?＋＿＝１?ｉ＝?＋?＿?＝｜??＋?－?＋?－??＋?－?＋?－?＋?－?＋?－??４－?－?＋??????一?（ａ）充电?（ｂ）放电??图１．２双电层电容器在充放电条件下的电解质分布??Ｆｉｇ?１．２．?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ?ｉｎ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??计算双电层超级电容器容量可采用平行板电容器公式（ｌ－ｌ）计算??ｃ＝ａ．Ｍ＾?（ｉ－ｉ）??ｄ??在这里Ｓｒ?（无量纲常数）即为相对介质电解液的常数；ＳＯ为真空介质常数；ｄ为双??电层电容器的相对有效厚度；Ａ为电解液离子接触到电极的有效接触面积。根据??平板电容器计算公式，双电层电容器的比电容大小与相对有效厚度成反比，与电??极材料的有效接触面积成正比。根据存储机理的研究
【参考文献】
本文编号：2861749
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TM53
【部分图文】：
安徽理工大学硕士学位论文器概述??容器简介及结构??（Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）是一种通过极化电解质来储存间的储能器件，既具有传统电容器特性即可以实像锂离子电池、铅蓄电池等储能电池的储能特性。ｌｍｈｏｌｔｚ提出双电荷概念并以此建立双电层平板模以及溶液中的剩余电荷都紧密排列在电极两侧，器的双层结构［６］。而后，Ｃｏｎｗａｙ于１９５７－１９８１年物具有良好的容抗特性，在充放电过程中并非发应，故提出在赝电容体系下的超级电容器［Ｗ。??
１．２．２．１双电层电化学超级电容器的工作原理??从１８５３年，科学家Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ提出双电层模型，揭示了其本质原理，并以此??为基础发展。双电层超级电容器的结构如图１．２所示，由于正负离子在固体电极和??电解液之间的表面吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储，??值得注意的是其储能过程仅仅发生物理变化，没有化学反应参与其中，且充放电??过程完全可逆：充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液的阴阳离子分??别聚集在两个固体电极表面；放电时，阴阳离子离开电极表面，返回电解液本体。??＂Ｔ１?－?＋「??：；?！?＋＿＋＿??＋?＋■＋－－?＋?＋?－?－??〔＋＿?＋＿＝１?ｉ＝?＋?＿?＝｜??＋?－?＋?－??＋?－?＋?－?＋?－?＋?－??４－?－?＋??????一?（ａ）充电?（ｂ）放电??图１．２双电层电容器在充放电条件下的电解质分布??Ｆｉｇ?１．２．?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ?ｉｎ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??计算双电层超级电容器容量可采用平行板电容器公式（ｌ－ｌ）计算??ｃ＝ａ．Ｍ＾?（ｉ－ｉ）??ｄ??在这里Ｓｒ?（无量纲常数）即为相对介质电解液的常数；ＳＯ为真空介质常数；ｄ为双??电层电容器的相对有效厚度；Ａ为电解液离子接触到电极的有效接触面积。根据??平板电容器计算公式，双电层电容器的比电容大小与相对有效厚度成反比，与电??极材料的有效接触面积成正比。根据存储机理的研究
１．２．２．１双电层电化学超级电容器的工作原理??从１８５３年，科学家Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ提出双电层模型，揭示了其本质原理，并以此??为基础发展。双电层超级电容器的结构如图１．２所示，由于正负离子在固体电极和??电解液之间的表面吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储，??值得注意的是其储能过程仅仅发生物理变化，没有化学反应参与其中，且充放电??过程完全可逆：充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液的阴阳离子分??别聚集在两个固体电极表面；放电时，阴阳离子离开电极表面，返回电解液本体。??＂Ｔ１?－?＋「??：；?！?＋＿＋＿??＋?＋■＋－－?＋?＋?－?－??〔＋＿?＋＿＝１?ｉ＝?＋?＿?＝｜??＋?－?＋?－??＋?－?＋?－?＋?－?＋?－??４－?－?＋??????一?（ａ）充电?（ｂ）放电??图１．２双电层电容器在充放电条件下的电解质分布??Ｆｉｇ?１．２．?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ?ｉｎ?ｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ??计算双电层超级电容器容量可采用平行板电容器公式（ｌ－ｌ）计算??ｃ＝ａ．Ｍ＾?（ｉ－ｉ）??ｄ??在这里Ｓｒ?（无量纲常数）即为相对介质电解液的常数；ＳＯ为真空介质常数；ｄ为双??电层电容器的相对有效厚度；Ａ为电解液离子接触到电极的有效接触面积。根据??平板电容器计算公式，双电层电容器的比电容大小与相对有效厚度成反比，与电??极材料的有效接触面积成正比。根据存储机理的研究
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 彭琦;刘群兴;叶耀良;;锂离子电池安全技术综述[J];电子产品可靠性与环境试验;2012年02期
2 刘海晶;夏永姚;;混合型超级电容器的研究进展[J];化学进展;2011年Z1期
3 周邵云;左晓希;刘建生;张利萍;;电解液对超级电容器性能的影响[J];电池工业;2009年03期
4 朱日龙;李国希;林斌;杜莉莉;郑俊辉;;PPy/Pani复合型导电高分子超级电容器的研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2008年03期
本文编号：2861749
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