石墨烯/二氧化锰复合材料的制备及其在超级电容器中的性能研究
发布时间：2020-12-25 22:27
超级电容器作为新型储能装置,具有高功率密度、快速大电流充放电、循环寿命长等特点,有着广泛的应用。电极材料是超级电容器的核心。过渡金属氧化物理论比容量高但导电性差,加入导电性好的石墨烯可以有效地改善这一缺点。本文以改进的Hummers法合成氧化石墨(GO),以微波辅助分解法制备出微波剥离氧化石墨烯材料(MEGO)。再以KMnO4、NH4Cl和MEGO为原料,通过改变反应时间制备出一系列不同二氧化锰含量的石墨烯/二氧化锰复合材料以及纯MnO2。利用XRD、Raman和SEM对其成分结构和微观形貌进行表征,并研究了其电化学性能。(1)经碳含量分析测试,随着反应时间的增加,复合材料中Mn02的质量分数也依次增加。经SEM观察分析,MrnO2呈纳米片状,叠合为类似蜂窝状的立体结构,且均匀的分布在石墨烯的片层表面。(2)利用三电极体系测试了复合材料的电化学性能。测试表明,复合材料的电化学性能均优于纯MnO2和MEGO;当MnO2的质量分数为35.4%时,复合材料的电化学性能最好;在恒电流充放电测试中,当电流密度为1A/g时,复合材料的比容量为339 F/g,在10 A/g的电流密度下循环1000圈...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１多种储能设备的Ｒａｇｏｎｅ?Ｐｌｏｔ图Ｍ??双电层超级电容器，是其内部的电解液离子和电极材料间所形成的双电层??效应进而储存能量
耻学位论文??ＭＡＳＴＥＲ＇Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??双电层电容器的结构以及充放电过程如图１－３所示［９］，双电层电容主要来源于??电极材料，例如碳材料颗粒与电解液之间，当过量的电子在电极表面积累的时候，??为了满足电中性原理，电解质离子平衡电荷就会聚集在电解液的一侧［７】。在充电的??过程中，在外加电场的作用下，电子从负极向正极移动。在电解液中，阳离子向负??极移动而阴离子向正极移动。放电的时候，过程则反向进行［２，７，１Ｇ］。??｜＜??（ｏｒ?ｐｅｒｍｅａｂｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒ?ｊ?ｊ?：?：?：??ｅ?夢｝———一?—？?｜?ｅ「?—？?丨?〇ｒ??？｜?？?３ｔ－＇?Ｊ?？?ｉ？?？ｊ?充电?？?ｉ?’??＾８?？?Ｉ?ｅ?备个■一?Ｃａｒｔｏｎ?ｉｎ?ｃｏｎｔａｃｔ?０｜?■?＞?￣０?！?９Ｉ?＋??——？?．?Ｓ??０?Ｉ?ｅ?＾?；一－?＾?ｉ?Ｊ?１??＋?１＾１?－?一??ＩＦ?？！％？－?Ｌ?ｅ！」?！?ｅＣＪ??毫？！?６?擊?Ｉ?Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?１０＾?２Ｌ＾！ｌ??ｌ？?—ｉ—???＼?４ｍｍｍ??「．．．＇＇．ｎ?Ｉ?＼?ｆ?ｉ?—ｒ?ｒ??＇?［＇２?ＳｉｍｐＷＭＣ?ｅｉｅｃｔｎｃ?ｏｉｃｕｌ?＼??图１－３双电层电容器的结构（左）和充放电过程（右）??双电层电容器这一类电容器，在电极／电解液界面没有电荷的转移，电极与电解??液之间没有纯粹的离子转换。这表明，电解液的浓度在充放电过程中并没有变化［７，??１Ｑ】。因此，能量是储存在双电层界面的。双电层电容主要依赖于电极材料本身（材??料的比表面积和孔径分布）［１１—１３］
图Ｍ?ａ）欠电位沉积；ｂ）氧化还原赝电容；ｃ）嵌入赝电容［１５］??（３）混合电容器??混合超级电容器，也称为非对称超级电容器，即正负极材料不同。如图１－５所??示，一般在组装非对称超级电容器的时候，负极选用具有双电层性质的碳材料、金??属碳化物或氮化物等来储存能量；正极选择具有法拉第性质的过渡金属氧化物或者??聚合物来储存能量。因此在此类电容器的充放电过程中，结合了两类电容器的优点，??既增加了工作的电压范围、改善了循环性能、提高了能量密度；如ＥＭＳＡ公司研制??的ＡＣ／ＮｉＯＯＨ混合超级电容器己经应用到电动车和太阳能电池领域［２３］。??Ｃｕｒｒａｉｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?（ｆｏｉｌ）?＾?／?Ｂａｔｔｅｒｙ－ｌｉｋｃ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?（ＮｉＯＯＨ?ｏｒ?ＰＷ２）??ｃ?？，Ｚ?／?Ｚ?，?／＾?／?／?／?／?／?／￣?＋??Ｓｅｃｔｏｒ?ｋ??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?（ｆｏｉｌ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ）??图１－５混合电容器的结构［１１］??１．２．３超级电容器的特点??（１）高功率密度??如图１－６所示［２４］，相比于锂离子电池（１５０?Ｗ／Ｋｇ），超级电容器拥有更高的功??率密度（１－１０?ＫＷ／Ｋｇ）；超级电容器在电极表面和固体电极的固体内部储存能量，??而不是整个电极，充放电的速率会快于传统电池（整体为电化学氧化还原反应），??这使得超级电容器有更高的功率密度；例如，一个超级电容器可以在几秒内完成充??电或者放电（３０?ｓ）
【参考文献】：
硕士论文
[1]PANI/RGO复合材料的制备及其在超级电容器中的性能研究[D]. 代怀丽.华中师范大学 2014
[2]二氧化锰复合材料的制备及在超级电容器中的应用[D]. 唐佳勇.复旦大学 2014
[3]石墨烯/四氧化三钴复合材料的制备及其电化学性能研究[D]. 高翠侠.天津大学 2013
[4]蔗糖制备微孔炭及其电化学性质研究[D]. 顾毅.青岛大学 2012
[5]石墨烯/赝电容材料复合物的制备与电化学性能研究[D]. 杨婉璐.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：2938492
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１多种储能设备的Ｒａｇｏｎｅ?Ｐｌｏｔ图Ｍ??双电层超级电容器，是其内部的电解液离子和电极材料间所形成的双电层??效应进而储存能量
耻学位论文??ＭＡＳＴＥＲ＇Ｓ?ＴＨＥＳＩＳ??双电层电容器的结构以及充放电过程如图１－３所示［９］，双电层电容主要来源于??电极材料，例如碳材料颗粒与电解液之间，当过量的电子在电极表面积累的时候，??为了满足电中性原理，电解质离子平衡电荷就会聚集在电解液的一侧［７】。在充电的??过程中，在外加电场的作用下，电子从负极向正极移动。在电解液中，阳离子向负??极移动而阴离子向正极移动。放电的时候，过程则反向进行［２，７，１Ｇ］。??｜＜??（ｏｒ?ｐｅｒｍｅａｂｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒ?ｊ?ｊ?：?：?：??ｅ?夢｝———一?—？?｜?ｅ「?—？?丨?〇ｒ??？｜?？?３ｔ－＇?Ｊ?？?ｉ？?？ｊ?充电?？?ｉ?’??＾８?？?Ｉ?ｅ?备个■一?Ｃａｒｔｏｎ?ｉｎ?ｃｏｎｔａｃｔ?０｜?■?＞?￣０?！?９Ｉ?＋??——？?．?Ｓ??０?Ｉ?ｅ?＾?；一－?＾?ｉ?Ｊ?１??＋?１＾１?－?一??ＩＦ?？！％？－?Ｌ?ｅ！」?！?ｅＣＪ??毫？！?６?擊?Ｉ?Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?１０＾?２Ｌ＾！ｌ??ｌ？?—ｉ—???＼?４ｍｍｍ??「．．．＇＇．ｎ?Ｉ?＼?ｆ?ｉ?—ｒ?ｒ??＇?［＇２?ＳｉｍｐＷＭＣ?ｅｉｅｃｔｎｃ?ｏｉｃｕｌ?＼??图１－３双电层电容器的结构（左）和充放电过程（右）??双电层电容器这一类电容器，在电极／电解液界面没有电荷的转移，电极与电解??液之间没有纯粹的离子转换。这表明，电解液的浓度在充放电过程中并没有变化［７，??１Ｑ】。因此，能量是储存在双电层界面的。双电层电容主要依赖于电极材料本身（材??料的比表面积和孔径分布）［１１—１３］
图Ｍ?ａ）欠电位沉积；ｂ）氧化还原赝电容；ｃ）嵌入赝电容［１５］??（３）混合电容器??混合超级电容器，也称为非对称超级电容器，即正负极材料不同。如图１－５所??示，一般在组装非对称超级电容器的时候，负极选用具有双电层性质的碳材料、金??属碳化物或氮化物等来储存能量；正极选择具有法拉第性质的过渡金属氧化物或者??聚合物来储存能量。因此在此类电容器的充放电过程中，结合了两类电容器的优点，??既增加了工作的电压范围、改善了循环性能、提高了能量密度；如ＥＭＳＡ公司研制??的ＡＣ／ＮｉＯＯＨ混合超级电容器己经应用到电动车和太阳能电池领域［２３］。??Ｃｕｒｒａｉｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?（ｆｏｉｌ）?＾?／?Ｂａｔｔｅｒｙ－ｌｉｋｃ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?（ＮｉＯＯＨ?ｏｒ?ＰＷ２）??ｃ?？，Ｚ?／?Ｚ?，?／＾?／?／?／?／?／?／￣?＋??Ｓｅｃｔｏｒ?ｋ??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ?（ｆｏｉｌ）?Ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ）??图１－５混合电容器的结构［１１］??１．２．３超级电容器的特点??（１）高功率密度??如图１－６所示［２４］，相比于锂离子电池（１５０?Ｗ／Ｋｇ），超级电容器拥有更高的功??率密度（１－１０?ＫＷ／Ｋｇ）；超级电容器在电极表面和固体电极的固体内部储存能量，??而不是整个电极，充放电的速率会快于传统电池（整体为电化学氧化还原反应），??这使得超级电容器有更高的功率密度；例如，一个超级电容器可以在几秒内完成充??电或者放电（３０?ｓ）
【参考文献】：
硕士论文
[1]PANI/RGO复合材料的制备及其在超级电容器中的性能研究[D]. 代怀丽.华中师范大学 2014
[2]二氧化锰复合材料的制备及在超级电容器中的应用[D]. 唐佳勇.复旦大学 2014
[3]石墨烯/四氧化三钴复合材料的制备及其电化学性能研究[D]. 高翠侠.天津大学 2013
[4]蔗糖制备微孔炭及其电化学性质研究[D]. 顾毅.青岛大学 2012
[5]石墨烯/赝电容材料复合物的制备与电化学性能研究[D]. 杨婉璐.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：2938492
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