基于多孔炭材料构筑高性能水系锌离子混合电容器
发布时间：2020-12-15 13:50
水系锌离子混合电容器,因其同时具有锌离子电池高的能量密度和超级电容器高的功率密度以及超长的循环稳定性,是很有发展潜力的安全储能技术,现已引起学术界的广泛关注。目前开发高性能锌离子混合电容器的主要难题是寻求高比电容电容型电极材料和有效利用的锌负极制备方法以及开发宽窗口电解液体系。因其无毒、廉价、良好的循环寿命和优异的功率输出,商用活性炭被广泛用作锌离子混合电容器电容型电极材料。然而,由于其各级孔隙之间互通性较差,比表面积相对较小,限制了器件性能的提升。因此,开发比表面积高、孔结构丰富、互通性较好的电容型材料是构建高性能锌离子混合电容器的有效手段。本论文以生物质或高分子聚合物为碳源,并结合化学活化法可控制备高比表面积、分级多孔结构、电容性能良好的多孔炭为电容型材料,金属锌箔或者聚合物包覆锌箔以及钒酸锌（ZnVO）为电池型材料,构建了一系列同时具有高能量密度、高功率密度和超长循环寿命的锌离子混合电容器。本论文主要研究内容和结果如下:（1）以橄榄叶为生物质碳源,系统考察了活化剂用量和活化温度对橄榄叶衍生多孔炭的微观形貌、孔隙结构、比表面积、元素组成以及电容性能的影响规律,确定出最佳制备条件（K...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器的工作原理示意图[7]
基于多孔炭材料构筑高性能水系锌离子混合电容器2正负离子迅速脱附并返回电解液溶液中。与此同时，电子由外电路从负极流向正极，完成放电[10,13,14]。由EDLCs的储能机理可以知道，电极材料的比表面积对电容值有决定性的影响。显然，高比表面积的活性材料能够通过静电积聚储存更多电荷，因此为了最大限度地提高器件的比电容，电极材料通常由高比表面积的碳基材料制成。因此，各种碳材料被研究和用作EDLCs电极，如活性炭（AC）[15]、碳纳米管（CNTs）[16,17]、石墨烯纳米薄片[18-20]、碳纳米纤维（CNFs）[21,22]、活性炭纤维（ACF）[23,24]和其它形式的碳材料[25]。另一方面，比表面积并不是决定多孔炭材料电容大小的唯一因素。孔径尺寸、孔径分布和异质原子等因素对多孔炭材料电容值也有重要影响。孔径太小虽然有利于比表面积的提高，但不利于电解质离子的快速传输，增大了电阻，进而影响电容性能。因此，开发合适孔隙结构，且富含杂原子的高比表面积碳基材料是提高器件性能的关键。图1.1双电层电容器的工作原理示意图[7]Figure1.1Schematicrepresentationoftheelectricaldoublelayercapacitors图1.2法拉第准电容器的工作原理示意图[26]Figure1.2Schematicrepresentationofthepseudocapacitors
基于多孔炭材料构筑高性能水系锌离子混合电容器4件工作电压范围，进而提高器件能量输出能力。众所周知，二次电池具有较高的能量密度，但因为储能主要发生在材料的体相中，导致离子传输速度缓慢，功率密度较低[33,34]。因此，有必要开发出同时具有二次电池和超级电容器各自优点的新型电化学储能设备。图1.3不同储能器件能量密度与功率密度对比图[35]Figure1.3Ragoneplotsforvariousenergystoragedevices基于此，研究者在不同类型的超级电容器上进行了大量的研究工作来提高器件的整体性能，最终提出了一种新型的储能概念，它将二次电池型电极（通过法拉第氧化还原反应进行储能）与电容型电极（采用静电吸附进行储能）有效地结合在一起，以实现同时具有二次电池和超级电容器各自优点的新型电化学储能设备，一种特殊不对称超级电容器——金属离子混合电容器[35-37]。目前，研究较多的金属离子混合电容器主要有：锂离子混合电容器（LIHCs），钠离子混合电容器（NIHCs），钾离子混合电容器（KIHCs）以及锌离子混合电容器（ZIHCs）等。图1.3给出了发展较好的几种电化学储能器件的功率—能量对比示意图（Ragone图），可以看出锂离子混合电容器在没有损失超级电容器高功率密度的前提下，使混合器件能量密度有了大幅度提升。锂离子混合电容器已取得了巨大发展，并且已经实现商业化应用[38,39]。钠、钾物理化学性质与锂相似，使得NIHCs和KIHCs也取得了大量研究成果[40-43]。然而，碱金属Li、Na、K具有极强的化学活性，在水系电解液中不可直接用作电极材料，而引入的有机电解液可燃、有毒，并且器件组装过程复杂，都不利于该储能器件的长远发展[44,45]。值得注意的是，锌离子混合电容器（Zincionhybridcapacitors，ZIHCs），因锌资源丰富，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水系锌离子电池正极钒基化合物研究进展[J]. 吴家荣,赵明豪,王越. 科技风. 2019(14)
[2]MOFs衍生多孔碳/MnO2复合材料及其在超级电容器中的应用[J]. 胡中爱,王倩,张全彩,李志敏. 西北师范大学学报(自然科学版). 2019(02)
[3]超级电容器用煤基活性炭研究[J]. 侯彩霞,孔碧华,樊丽华,郭秉霖,许立军. 洁净煤技术. 2017(05)
[4]水系锌离子电池的研究进展[J]. 陈丽能,晏梦雨,梅志文,麦立强. 无机材料学报. 2017(03)
[5]锂离子电容器研究进展及示范应用[J]. 安仲勋,颜亮亮,夏恒恒,徐甲强,华黎. 中国材料进展. 2016(07)
[6]超级电容器电极材料研究进展[J]. 侯博,尹利红,夏靳松,晏荣伟,陈永. 河南大学学报(自然科学版). 2016(03)
[7]超级电容器用碳基电极材料研究进展[J]. 袁斌,周蕾,管道安. 船电技术. 2016(01)
[8]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[9]高比能超级电容器的研究进展[J]. 张熊,孙现众,马衍伟. 中国科学:化学. 2014(07)
[10]电化学电容器能量密度研究进展[J]. 范新庄,严川伟,芦永红,徐海波. 电池工业. 2012(02)
博士论文
[1]基于金属有机骨架的超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 张义东.东南大学 2016
[2]高性能混合型超级电容器的研究[D]. 曲群婷.复旦大学 2010
硕士论文
[1]掺杂石墨烯电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 孟雅雯.兰州理工大学 2019
[2]先进炭基材料/结构的制备及其在钠离子混合电容器中的应用[D]. 丁永强.兰州大学 2018
[3]ZIF-67和ZIF-69材料的合成及吸附分离性能研究[D]. 张小桃.华南理工大学 2017
[4]超级电容器用活性多孔碳材料的制备及其性能优化[D]. 刘佳.湘潭大学 2017
[5]微纳结构钒酸盐的制备和电化学性能研究[D]. 刘鑫.福州大学 2016
[6]控制合成聚吡咯和多孔炭的研究[D]. 郑梦柯.湖南大学 2016
[7]锂离子电容器用预锂化硬炭负极的研究[D]. 刘嫄嫄.天津大学 2014
本文编号：2918378
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器的工作原理示意图[7]
基于多孔炭材料构筑高性能水系锌离子混合电容器2正负离子迅速脱附并返回电解液溶液中。与此同时，电子由外电路从负极流向正极，完成放电[10,13,14]。由EDLCs的储能机理可以知道，电极材料的比表面积对电容值有决定性的影响。显然，高比表面积的活性材料能够通过静电积聚储存更多电荷，因此为了最大限度地提高器件的比电容，电极材料通常由高比表面积的碳基材料制成。因此，各种碳材料被研究和用作EDLCs电极，如活性炭（AC）[15]、碳纳米管（CNTs）[16,17]、石墨烯纳米薄片[18-20]、碳纳米纤维（CNFs）[21,22]、活性炭纤维（ACF）[23,24]和其它形式的碳材料[25]。另一方面，比表面积并不是决定多孔炭材料电容大小的唯一因素。孔径尺寸、孔径分布和异质原子等因素对多孔炭材料电容值也有重要影响。孔径太小虽然有利于比表面积的提高，但不利于电解质离子的快速传输，增大了电阻，进而影响电容性能。因此，开发合适孔隙结构，且富含杂原子的高比表面积碳基材料是提高器件性能的关键。图1.1双电层电容器的工作原理示意图[7]Figure1.1Schematicrepresentationoftheelectricaldoublelayercapacitors图1.2法拉第准电容器的工作原理示意图[26]Figure1.2Schematicrepresentationofthepseudocapacitors
基于多孔炭材料构筑高性能水系锌离子混合电容器4件工作电压范围，进而提高器件能量输出能力。众所周知，二次电池具有较高的能量密度，但因为储能主要发生在材料的体相中，导致离子传输速度缓慢，功率密度较低[33,34]。因此，有必要开发出同时具有二次电池和超级电容器各自优点的新型电化学储能设备。图1.3不同储能器件能量密度与功率密度对比图[35]Figure1.3Ragoneplotsforvariousenergystoragedevices基于此，研究者在不同类型的超级电容器上进行了大量的研究工作来提高器件的整体性能，最终提出了一种新型的储能概念，它将二次电池型电极（通过法拉第氧化还原反应进行储能）与电容型电极（采用静电吸附进行储能）有效地结合在一起，以实现同时具有二次电池和超级电容器各自优点的新型电化学储能设备，一种特殊不对称超级电容器——金属离子混合电容器[35-37]。目前，研究较多的金属离子混合电容器主要有：锂离子混合电容器（LIHCs），钠离子混合电容器（NIHCs），钾离子混合电容器（KIHCs）以及锌离子混合电容器（ZIHCs）等。图1.3给出了发展较好的几种电化学储能器件的功率—能量对比示意图（Ragone图），可以看出锂离子混合电容器在没有损失超级电容器高功率密度的前提下，使混合器件能量密度有了大幅度提升。锂离子混合电容器已取得了巨大发展，并且已经实现商业化应用[38,39]。钠、钾物理化学性质与锂相似，使得NIHCs和KIHCs也取得了大量研究成果[40-43]。然而，碱金属Li、Na、K具有极强的化学活性，在水系电解液中不可直接用作电极材料，而引入的有机电解液可燃、有毒，并且器件组装过程复杂，都不利于该储能器件的长远发展[44,45]。值得注意的是，锌离子混合电容器（Zincionhybridcapacitors，ZIHCs），因锌资源丰富，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水系锌离子电池正极钒基化合物研究进展[J]. 吴家荣,赵明豪,王越. 科技风. 2019(14)
[2]MOFs衍生多孔碳/MnO2复合材料及其在超级电容器中的应用[J]. 胡中爱,王倩,张全彩,李志敏. 西北师范大学学报(自然科学版). 2019(02)
[3]超级电容器用煤基活性炭研究[J]. 侯彩霞,孔碧华,樊丽华,郭秉霖,许立军. 洁净煤技术. 2017(05)
[4]水系锌离子电池的研究进展[J]. 陈丽能,晏梦雨,梅志文,麦立强. 无机材料学报. 2017(03)
[5]锂离子电容器研究进展及示范应用[J]. 安仲勋,颜亮亮,夏恒恒,徐甲强,华黎. 中国材料进展. 2016(07)
[6]超级电容器电极材料研究进展[J]. 侯博,尹利红,夏靳松,晏荣伟,陈永. 河南大学学报(自然科学版). 2016(03)
[7]超级电容器用碳基电极材料研究进展[J]. 袁斌,周蕾,管道安. 船电技术. 2016(01)
[8]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[9]高比能超级电容器的研究进展[J]. 张熊,孙现众,马衍伟. 中国科学:化学. 2014(07)
[10]电化学电容器能量密度研究进展[J]. 范新庄,严川伟,芦永红,徐海波. 电池工业. 2012(02)
博士论文
[1]基于金属有机骨架的超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 张义东.东南大学 2016
[2]高性能混合型超级电容器的研究[D]. 曲群婷.复旦大学 2010
硕士论文
[1]掺杂石墨烯电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 孟雅雯.兰州理工大学 2019
[2]先进炭基材料/结构的制备及其在钠离子混合电容器中的应用[D]. 丁永强.兰州大学 2018
[3]ZIF-67和ZIF-69材料的合成及吸附分离性能研究[D]. 张小桃.华南理工大学 2017
[4]超级电容器用活性多孔碳材料的制备及其性能优化[D]. 刘佳.湘潭大学 2017
[5]微纳结构钒酸盐的制备和电化学性能研究[D]. 刘鑫.福州大学 2016
[6]控制合成聚吡咯和多孔炭的研究[D]. 郑梦柯.湖南大学 2016
[7]锂离子电容器用预锂化硬炭负极的研究[D]. 刘嫄嫄.天津大学 2014
本文编号：2918378
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