过渡金属化合物超级电容器电极材料结构-性能的关系研究

发布时间：2020-12-10 05:38

　　超级电容器又称为电化学电容器,作为新型的储能器件,具有能够快速的充放电,较高的功率密度和良好的循环稳定性等诸多优点。电化学电容器按储能机理可分为碳基电极材料的双电层电容器和具有氧化还原反应电极材料的赝电容两类。决定电化学电容器性能的关键因素之一是电极材料的使用,碳基材料具有较好的导电性和循环稳定性,但其能量密度较低;赝电容电极材料的研究主要集中在具有商业应用的过渡金属氧化物上,其具有较高的理论比电容,然而单一的过渡金属氧化物导电性较差。为了改善这些不足,本论文利用一步水热和两步水热法合成了硫化镍与硫化钴复合材料以及导电性良好的具有新颖层状结构的层状双金属氢氧化物（LDHs）,利用协同作用促进材料的电化学性能。论文中的主要内容概括如下:1.本文以氯化钴和氯化锰为原料,以生化试剂巯基乙酸和硫代巴比妥酸两个有机硫源,通过在泡沫镍上生长合成了具有特殊形貌的硫化物材料。2.分别利用简单的一步水热和两步水热法,在泡沫镍上分别合成了Co₃S₄@Ni₃S₂@NF和Ni₃S₂

【文章来源】：上海师范大学上海市

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图1-1双电层电容器储能机理

上海师范大学硕士学位论文第1章3图1-1双电层电容器储能机理1.2.3赝电容器储能机理法拉第准电容也被称为赝电容，是电活性物质在电极表面或体相中的二维或三维空间上进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附的氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容[13]。赝电容通常可以分为氧化还原型赝电容和吸附型赝电容。氧化还原型赝电容是指活性物质在准二维的电化学反应过程中发生了氧化还原反应，形成了还原态或氧化态而表现出的电容特性。吸附型赝电容是指活性物质在二维的电化学反应过程中，随着电荷的转移，活性物质单分子层或类单分子层吸附或者脱附在基体上而表现出的电容特性[14]。这就是赝电容的储能机理，其充放电模型如图1-2所示。图1-2法拉第赝电容机理图赝电容电极材料主要分为两类：一类为过渡金属氧化物（如RuO2、Co3O4、MnO2等），在充电的过程中，电解液中的离子（一般为OH-或H+）在外加电场的作用下由溶液扩散到电极/电解液界面，而后通过界面电化学反应（如下式）[15]surface-x1-surfacexe）（）（++→++HMOHMO

上海师范大学硕士学位论文第1章4进入到电极表面活性氧化物的体相中；由于电极材料多采用具有较大比表面积的氧化物，因此会有大量的电荷被储存在电极中。当放电时这些进入氧化物体相中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是赝电容的充放电机理；另一类是导电聚合物（如聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等），通过在聚合物膜中的氧化还原反应，使其产生可逆的n型或p型掺杂，从而使聚合物拥有较高的电荷存储密度以实现电能的储存[16-17]。1.2.4混合型电化学电容器储能机理由于双电层电容和赝电容其能量储存仅仅发生在电极材料的表面或近表面，而电池则通过体相的氧化还原反应来储存能量，因此电池的能量密度比双电层电容和赝电容的要高。为了提升电容器的应用价值，提高电容器的能量密度，一种新型的混合电化学电容器应运而生。混合型电化学电容器主要分为三类（根据不同类型的电极材料）[18]:①由同时具有双电层电容特征和赝电容特征的电极或者由两种不同类型的赝电容电极材料组成；②由电容器电极和电池的电极组成；③由电解电容器的阳极和电化学电容器的阴极组成。图1-3混合电容器储能机理如图1-3所示，混合型电化学电容器电极分别采用功率密度较高的“电容型”材料和能量密度较高的“电池型”材料。在充放电过程中，其正负极表现出不同的储能机理，既包含双电层电容器的特征又有电池的特征。因此，混合型电化学电容器具有电容器较高的功率密度又具有电池较大的能量密度[19-21]，成为电容器研究的热点之一。


本文编号：2908170