三维有序大孔镍基材料的制备及其储能与变色性能研究
发布时间：2020-12-16 13:10
随着全球经济的快速增长,人类对能源的需求量也越来越大,开发可再生绿色新能源成为当今时代的一大主题。超级电容器电极材料作为一种储能材料,它的高功率密度和长循环寿命的优势得到了研究者们的广泛关注。在众多储能材料中,氧化镍脱颖而出,它的理论容量较高,并且绿色廉价,来源丰富,有较大的应用前景。通过对其储能与变色性能的研究,对制备智能化储能器件有一定价值。本论文借鉴多孔电极材料的制备方法,将胶体晶体模板法与电沉积法相结合制备了三维有序大孔(3 DOM)镍材料,其一是研究其光学性能,通过模拟计算与实际测试探索其光学性能变化情况,其二是将其作为多孔金属集流体,在其表面通过溶剂热法生长氧化镍,得到3 DOM镍/氧化镍核壳结构电极材料,并探究其储能能力。本论文首先利用垂直沉积法制备三维有序排列聚苯乙烯胶体晶体模板,采用模板辅助电沉积法(两电极体系)在模板空隙填充金属镍,通过调节电沉积过程中的电流密度以及沉积时间来得到不同填充量的金属镍,接着去除模板,最终可以得到3 DOM结构镍材料。研究了微球孔径、电流密度以及电沉积时间对3 DOM镍的结构和光学性能的影响,为了进一步探究其光学性能与3 DOM微观结构变...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能器件Ragone曲线图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3情开发和研究不同类型的超级电容器，以供其他领域的能源需求。近年来在超级电容器的理论，实践研究和开发方面取得了重大进展[15-17]。图1-2超级电容器发展历程简图超级电容器作为一种很有发展前途的储能装置，以其充放电速度快、功率密度高等优点备受研究者的亲睐。现在由于可穿戴智能电子设备的逐渐兴起，超级电容器的研究范围进一步扩展到多功能、智能化应用领域，如自修复超级电容器、热响应超级电容器、形状记忆超级电容器、电致变色超级电容器等。电致变色超级电容器(ESD)是一种很有前途的智能器件，它使超级电容器具有电致变色功能。与传统的超级电容器相比，静电放电不仅具有储能功能，而且可以根据其颜色的变化，通过预测、直观的方式指示储能状态。因此，当能量耗尽时，方便用户立即采取措施。通过将电致变色电极材料与其他无色材料整合在一起，元件具有基本的储能性能和额外的能级指示行为。电致变色储能装置对不同的充电和放电水平表现出不同的光吸收，从中可以通过视觉彩色监视器观察储能状态。1.2.1基本原理超级电容器，又称电化学电容器，因其高能量密度、快速充放电能力、安全运行和足够的循环耐久性而成为目前储能市场的热门器件。超级电容器可根据材料自身储能特性分为双电层电容器，赝电容器和混合型超级电容器[18]。传统电池储存电化学能，伴随着电池单元的感应电流反应，阴阳极材料发生化学互换，会有相变过程，而该过程不可逆，从而导致电池的循环寿命不及电容器[19]。电容器的储能机理不太一样，电容器在充放电过程中，如果极板电荷过多就会放电，过少则开始充电，不发生化学变化。赝电容器的能量存储与释放遵循着法拉第电荷存储机制，即活性物质与电解液离子发生电化学反应[20]。?
生颜色转变，这种变化与赝电容器具有以下相似的特性。首先，电致变色器件和赝电容器都具有由工作电极层、电解质层和对电极层组成的相同夹层结构。其次，它们都存在电极材料与电解液离子发生可逆电化学反应。唯一的区别是电致变色器件需要透明集电极的彩色充电性能，而赝电容器则不需要。因此，如果电极材料在氧化态和还原态之间显示出不同的颜色，它就具备了变色与储能的双功能特性。在这种情况下，电致变色功能和超级电容器储能能力可以集成到一个设备中，该设备不仅可以用于能量存储，还可以用作电致变色窗口，一举两得，如图1-3所示[21]。值得注意的是，超级电容器中储存的能量水平可以通过其充放电过程中颜色的可见变化来进行裸眼视觉监控。图1-3集能量存储与电致变色为一体的装置概念图首先，超级电容器在不同的充电情况下能够显示出不同的颜色，充电状态可以通过简单的视觉检测进行监控，具备智能化特性。如果储能装置能够以可预测的模式感知能量变化，即可在装置停工前快速确定能量已经耗尽，因此在未来智能设备应用方面有广泛的潜在价值，而且，通过储能过程中发生的变色特性，还能有效节约能源。如果采取对可变色器件进行着色来阻挡阳光照射或保护隐私等特性，可以在其中存储电荷，当不需要有色态时，储存的能量可以通过外部电路释放出来，这也为未来的节能储能设备的开发提供新思路。随着研究的不断深入，研究者发现部分电致变色材料同时也具有赝电容特性，在变色的同时还能储能。电致变色材料和赝电容材料的工作机理都是在离子在材料中进行脱嵌，离子在材料中的脱嵌程度直接表现为颜色的不同，所以，凭借裸眼直接观察即可衡量其能量存储水平。且两种器件都有三明治结构，因此，可制备变色与储能于一体的双功能器件。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的技术特点与市场应用研究[J]. 高玉双,张静,刘鹏. 科技风. 2020(02)
[2]超级电容器研究进展[J]. 肖谧,宿玉鹏,杜伯学. 电子元件与材料. 2019(09)
[3]超级电容器储能在电动汽车中的应用研究[J]. 陈常曦,肖克,单栋梁,袁顺刚. 数字通信世界. 2019(06)
[4]纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展[J]. 安富强,赵洪量,程志,邱继一承,周伟男,李平. 工程科学学报. 2019(01)
[5]超级电容器的发展及应用现状[J]. 黄晓斌,张熊,韦统振,齐智平,马衍伟. 电工电能新技术. 2017(11)
[6]氧化镍纳米微球的水热法制备与电容性能研究[J]. 王元有,余文华. 无机盐工业. 2017(01)
[7]超级电容器储能机理[J]. 李春花,姚春梅,吕启松,杨光敏. 科技经济导刊. 2016(07)
[8]纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其电容特性[J]. 孔德帅,王建明,皮欧阳,邵海波,张鉴清. 物理化学学报. 2011(04)
硕士论文
[1]溶胶—凝胶法制备NiO薄膜的光学特性研究[D]. 王巍.长春理工大学 2011
本文编号：2920214
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能器件Ragone曲线图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3情开发和研究不同类型的超级电容器，以供其他领域的能源需求。近年来在超级电容器的理论，实践研究和开发方面取得了重大进展[15-17]。图1-2超级电容器发展历程简图超级电容器作为一种很有发展前途的储能装置，以其充放电速度快、功率密度高等优点备受研究者的亲睐。现在由于可穿戴智能电子设备的逐渐兴起，超级电容器的研究范围进一步扩展到多功能、智能化应用领域，如自修复超级电容器、热响应超级电容器、形状记忆超级电容器、电致变色超级电容器等。电致变色超级电容器(ESD)是一种很有前途的智能器件，它使超级电容器具有电致变色功能。与传统的超级电容器相比，静电放电不仅具有储能功能，而且可以根据其颜色的变化，通过预测、直观的方式指示储能状态。因此，当能量耗尽时，方便用户立即采取措施。通过将电致变色电极材料与其他无色材料整合在一起，元件具有基本的储能性能和额外的能级指示行为。电致变色储能装置对不同的充电和放电水平表现出不同的光吸收，从中可以通过视觉彩色监视器观察储能状态。1.2.1基本原理超级电容器，又称电化学电容器，因其高能量密度、快速充放电能力、安全运行和足够的循环耐久性而成为目前储能市场的热门器件。超级电容器可根据材料自身储能特性分为双电层电容器，赝电容器和混合型超级电容器[18]。传统电池储存电化学能，伴随着电池单元的感应电流反应，阴阳极材料发生化学互换，会有相变过程，而该过程不可逆，从而导致电池的循环寿命不及电容器[19]。电容器的储能机理不太一样，电容器在充放电过程中，如果极板电荷过多就会放电，过少则开始充电，不发生化学变化。赝电容器的能量存储与释放遵循着法拉第电荷存储机制，即活性物质与电解液离子发生电化学反应[20]。?
生颜色转变，这种变化与赝电容器具有以下相似的特性。首先，电致变色器件和赝电容器都具有由工作电极层、电解质层和对电极层组成的相同夹层结构。其次，它们都存在电极材料与电解液离子发生可逆电化学反应。唯一的区别是电致变色器件需要透明集电极的彩色充电性能，而赝电容器则不需要。因此，如果电极材料在氧化态和还原态之间显示出不同的颜色，它就具备了变色与储能的双功能特性。在这种情况下，电致变色功能和超级电容器储能能力可以集成到一个设备中，该设备不仅可以用于能量存储，还可以用作电致变色窗口，一举两得，如图1-3所示[21]。值得注意的是，超级电容器中储存的能量水平可以通过其充放电过程中颜色的可见变化来进行裸眼视觉监控。图1-3集能量存储与电致变色为一体的装置概念图首先，超级电容器在不同的充电情况下能够显示出不同的颜色，充电状态可以通过简单的视觉检测进行监控，具备智能化特性。如果储能装置能够以可预测的模式感知能量变化，即可在装置停工前快速确定能量已经耗尽，因此在未来智能设备应用方面有广泛的潜在价值，而且，通过储能过程中发生的变色特性，还能有效节约能源。如果采取对可变色器件进行着色来阻挡阳光照射或保护隐私等特性，可以在其中存储电荷，当不需要有色态时，储存的能量可以通过外部电路释放出来，这也为未来的节能储能设备的开发提供新思路。随着研究的不断深入，研究者发现部分电致变色材料同时也具有赝电容特性，在变色的同时还能储能。电致变色材料和赝电容材料的工作机理都是在离子在材料中进行脱嵌，离子在材料中的脱嵌程度直接表现为颜色的不同，所以，凭借裸眼直接观察即可衡量其能量存储水平。且两种器件都有三明治结构，因此，可制备变色与储能于一体的双功能器件。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的技术特点与市场应用研究[J]. 高玉双,张静,刘鹏. 科技风. 2020(02)
[2]超级电容器研究进展[J]. 肖谧,宿玉鹏,杜伯学. 电子元件与材料. 2019(09)
[3]超级电容器储能在电动汽车中的应用研究[J]. 陈常曦,肖克,单栋梁,袁顺刚. 数字通信世界. 2019(06)
[4]纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展[J]. 安富强,赵洪量,程志,邱继一承,周伟男,李平. 工程科学学报. 2019(01)
[5]超级电容器的发展及应用现状[J]. 黄晓斌,张熊,韦统振,齐智平,马衍伟. 电工电能新技术. 2017(11)
[6]氧化镍纳米微球的水热法制备与电容性能研究[J]. 王元有,余文华. 无机盐工业. 2017(01)
[7]超级电容器储能机理[J]. 李春花,姚春梅,吕启松,杨光敏. 科技经济导刊. 2016(07)
[8]纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其电容特性[J]. 孔德帅,王建明,皮欧阳,邵海波,张鉴清. 物理化学学报. 2011(04)
硕士论文
[1]溶胶—凝胶法制备NiO薄膜的光学特性研究[D]. 王巍.长春理工大学 2011
本文编号：2920214
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