钴基超级电容器电极材料的设计及其电化学性能研究
发布时间：2021-01-28 20:49
超级电容器是一种具有高功率密度,长循环寿命的能进行快速充电的新型储能装置,可以应用于电动汽车、便携式电子设备和可再生能源的能量存储与转换等领域。但是,超级电容器的能量密度较低,导致在实际应用中难以大规模推广。在超级电容器中,电极是最重要组成部分,对超级电容器的性能表现具有决定性的作用,因此研究和开发具有高性能的电极材料对提升超级电容器能量密度具有重要意义。钴基氧化物,硫化物和氢氧化物是常见的容易合成的材料,当作为超级电容器的电极材料时,它们都表现出很好的电化学活性,能与电解液发生快速的氧化还原反应产生电容,从而具有很高的理论容量,是很有前景的赝电容材料。但是,钴基氧化物,硫化物和氢氧化物的导电性普遍较差,实际电容量较低,并且在进行快速充放电过程中容易发生体积膨胀,导致难以商业化应用。因此,为了得到具有高性能的钴基电极材料,本课题通过将电极材料纳米化,调控材料形貌以及与高导电性的石墨烯复合等策略提升钴基电极材料的导电性、比容量和循环稳定性。最后将钴基正极材料用于水系非对称超级电容器中来拓宽工作电压,进一步提升能量密度。主要研究内容如下:（1）氧化石墨烯表面具有丰富的官能团能将Co2+吸附...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２超级电容器的运用场景
?山东大学博士学位论文???＾■１??＾■圓??图１．３双电层电容器储能原理。??Ｆｉｇ．?１．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ．??双电层电容器，作为最早被发现和研究的超级电容器，是一种比较成熟的??储能器件，目前己经实现商业化，市面上在售的大部分超级电容器都为双电层??电容器。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ最先提出双电层电容理论，后经Ｇｏｕｙ，?Ｃｈａｐｍａｎ和Ｓｔｅｒｍ进??一步补充和修改，最终形成了用来研究双电层电容较为完善的理论模型它??的储能原理如阁１．３所示，可以把双电层电容器近似的看成平板电容器，当进行??充电时，电容器的正极在外加电场的情况下带有正电，而负极带负电，此时为??了平衡电极的电荷，电解液中的带有正／负电荷的电解质离子会向电容器的负／正??极移动，在电极表面形成反向电荷层，该电荷层由电荷分布较为紧密的内层紧??密层和外层扩散层构成。因此双电层电容（Ｃ）可以认为是内层紧密层电容（＜＆）??和扩散层电容（Ｃｒｆ＃）串联后的结果，关系如下：??１?１?，?１??（Ｌ２）??而当进行放电时，负极电子通过外电路转移至止极，导致电极之间的电势??消失，双电层中的正负离子则从电极表面释放回到电解液中。双电层电容器主??要是通过在电极材料表面和电解液之间形成致密的电荷层来实现能量存储，是??一种静电存储，在进行充放电时不发生化学反应，不破坏电极材料，因此双电??层电容器充放电迅速，功率密度大，且循环稳定性好［１５］。由于电荷只存储在电??极材料表面，电极材料的比表面积对其容量影响很大，因此双电层电容器容量??普遍较低，受
?山獻雜士学麟文??Ａｕ?＋?．ｒＰｂ２?＾?Ｉｒｅ＇?—？?Ａｕ－．ｖＰｂ＾?ＲｕＯ?（ＯＨ）?＋ｒＨ?＋ｒｃ?＾—■？ＲｕＯ?＜ＯＨ）?Ｎｂ，０－?－?．ｒＬｉ?？?￣？?Ｌｉ?Ｎｂ，０＾??ＲｕＯ：?Ｈｙｄｒｏｕｓ?ｇｒａｍ?Ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ??＇?ｄｏｕｎｄａｒｖ－?ｈｏｓｔ?ｍａｔｅｒｉａｌ?Ｌｉ??ｉ?ｉｖ?ｉ｜?ｍ?．：??欠电位沉积?氧化还原赝电容?嵌入型赝电容??图１．４赝电容的三种储能机理。??Ｆｉｇ．?１．４?Ｔｈｒｅｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｏｆ?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒｓａｎｃｅ．??赝电容器，又被称为法拉第电容器，最早由渥太华大学的Ｃｏｎｗａｙ教授提出。??赝电容器在进行能量存储过程时，电极材料的表面或者体相与电解质离子发生??快速的化学吸附／脱附或者可逆的氧化还原反应存储电荷从而产生电容效应［１６，１７］。??如图１．４所示，依据产生赝电容的电化学过程，可将赝电容分为三种类型：一种??是欠位沉积电容，第二种是氧化还原反应赝电容，第三种是插层式赝电容［１８］。??其中，欠电位沉积电容是指一种金属阳离子在另一种具有远高于其氧化还原电??位的金属表面形成单层吸附的过程，比如Ｐｂ２＋在Ａｕ表面进行沉积。氧化还原反??应赝电容是指电解液中的离子在电场作用下被吸附到电极材料的表面或者近表??面并与电极材料发生电化学反应，电极材料随之被氧化或者还原，使得电极材??料的价态发生变化，将离子／电子转换成电荷储存起来产生赝电容。嵌入型赝电??容是指电解液中的带电离子嵌入到电极材料的体相内，该过程会伴随着氧化还??原反应产生电荷转移，产生赝电容，并且
本文编号：3005670
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２超级电容器的运用场景
?山东大学博士学位论文???＾■１??＾■圓??图１．３双电层电容器储能原理。??Ｆｉｇ．?１．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ．??双电层电容器，作为最早被发现和研究的超级电容器，是一种比较成熟的??储能器件，目前己经实现商业化，市面上在售的大部分超级电容器都为双电层??电容器。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ最先提出双电层电容理论，后经Ｇｏｕｙ，?Ｃｈａｐｍａｎ和Ｓｔｅｒｍ进??一步补充和修改，最终形成了用来研究双电层电容较为完善的理论模型它??的储能原理如阁１．３所示，可以把双电层电容器近似的看成平板电容器，当进行??充电时，电容器的正极在外加电场的情况下带有正电，而负极带负电，此时为??了平衡电极的电荷，电解液中的带有正／负电荷的电解质离子会向电容器的负／正??极移动，在电极表面形成反向电荷层，该电荷层由电荷分布较为紧密的内层紧??密层和外层扩散层构成。因此双电层电容（Ｃ）可以认为是内层紧密层电容（＜＆）??和扩散层电容（Ｃｒｆ＃）串联后的结果，关系如下：??１?１?，?１??（Ｌ２）??而当进行放电时，负极电子通过外电路转移至止极，导致电极之间的电势??消失，双电层中的正负离子则从电极表面释放回到电解液中。双电层电容器主??要是通过在电极材料表面和电解液之间形成致密的电荷层来实现能量存储，是??一种静电存储，在进行充放电时不发生化学反应，不破坏电极材料，因此双电??层电容器充放电迅速，功率密度大，且循环稳定性好［１５］。由于电荷只存储在电??极材料表面，电极材料的比表面积对其容量影响很大，因此双电层电容器容量??普遍较低，受
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