钴镍锰基正极材料的制备及其超级电容器性能研究
发布时间：2021-06-09 23:03
超级电容器因其充放电速率快、功率密度高和循环寿命长等优势受到广泛关注并成为重要的电化学储能器件之一,但超级电容器与可充电电池相比具有能量密度较低的缺点。因此需开发具有高能量密度、高工作电压、同时又不会大量衰减功率传输和循环寿命的超级电容器,以满足实际应用中需求。同时,可穿戴和便携式电子设备,例如可弯曲的智能手机,电子皮肤和可植入医疗设备得到快速发展。为了确保这些设备在实际应用中运行良好,开发能在严重变形条件下保持其高性能和耐用性的柔性储能器件和技术十分必要。因此,本论文旨在对高性能、高电压、高柔性,同时具有较高能量密度的超级电容器进行研究。制备一种新颖的非对称超级电容器基于NiO/Ni纳米片、α-Fe2O3/CC纳米棒分别作为正极和负极。器件呈现了最大能量密度为12.4 Whkg-1,具有良好的循环性能（10,000次循环后电容保留效率为85%）。这种独特的设计具有以下优点。首先,负极和正极材料均是良好的赝电容金属氧化物。它们因其低成本,高理论比电容,易于获得,对环境无害的特性以及在碱性电解液中的良好稳定性而成为高性能超级电容器电极材料的候选。在其它工作中,很少有报道关于非对称超级电容...
【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】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种类型储能设备的能量密度功率密度对比图(Ragone图)[8]
第1章绪论-3-1.2.1双电层超级电容器通常，EDLC由两个具有高比表面积的碳基电极，电解质和隔膜组成(图12)[16]。当超级电容器充电时，电解质中的阳离子会移动到负极电极，而阴离子会迁移到正极电极。双电层的概念最早由Helmholtz提出，然后Gouy和Chapman改进了这个简单的模型：他们引入了一个扩散层，该扩散层是由于靠近电极表面的离子积累而产生的。但是，Gouy-Chapman模型高估了双电层电容，由于电容器两个分离的电荷阵列与它们距离成反比，因此最终得到了很大的电容值。后来，斯特恩将这两个模型结合起来，定义了离子分布的两个部分分别是致密层和扩散层。在致密层中，水合离子被电极强烈吸附，致密层由特异性吸附的离子和非特异性吸附的抗衡离子组成。扩散层是Gouy-Chapman模型定义的。EDLC中的电容可被视为来自致密层和扩散层的电容的组合。对于平板电容器，EDLC通常由以下公式给出：C=εrε0Ad(1-1)其中εr是电解质的介电常数，ε0是真空的介电常数，A是电解质离子可用的电极表面积，d是双电层的有效厚度，C是双电层电容。然而，也有一些工作表明，电容和比表面积没有显示线性关系。这种非线性主要归因于存在一部分大溶剂化离子无法进入一些微孔造成的。Huang等人考虑了这种孔隙分布，并根据孔隙大小分离了电容[17]。无论采用哪种类型的碳材料和电解质，它们的模型都与实验结果非常吻合。迄今为止，各种碳材料诸如活性炭，碳纳米管（CNT）和石墨烯之类的化合物因其高比表面积，高电导率，易于加工和高化学稳定性而成为最广泛使用的活性电极材料。图12双电层超级电容器的储能机理[16]Fig.12SchematicstructureofanEDLC[16]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-1.2.2赝电容器EDLC的电容在很大程度上取决于电极材料的表面积和孔径分布。相反，赝电容器通过电解质与电极材料之间的快速且可逆的氧化还原反应来存储能量，如图1-3所示[18]，当将电压施加到赝电容器上时，电极材料上就会发生快速且可逆的氧化还原反应。赝电容器和电池发生的氧化还原反应的过程也存在着不同，赝电容器主要归因于热力学的原因，而电池是利用能斯特过程发生的氧化还原反应，并且两个电极材料之间的电位在理想状态下，应保持恒定[19]。由于赝电容器的电极材料既可以在表面发生氧化还原反应，同时也可以在体相中发生氧化还原反应，因此它可以产生比双电层电容器高10-100倍的比容量[20]。但由于法拉第反应在存储电荷过程中所需时间较长。所以赝电容器在功率密度和循环稳定性上是低于双电层电容器的[21]。赝电容器的典型电极材料包括导电聚合物[22-25]、金属氧/硫化物或氢氧化物[26-30]。图13赝电容器的储能机理[16]Fig.13Schematicstructureofthepseudocapacitortype[16]1.3超级电容器电极材料的研究现状1.3.1碳材料多孔碳材料众所周知是应用于超级电容器中的理想材料不仅由于其易于获得和无毒的特性，而且还因为它们具有高比表面积、优异的电子传导性、高的化学稳定性和较宽工作范围[31-35]。在过去几年中，已经广泛报道了各种碳材料，例如活性炭，石墨烯和碳纳米管(CNT)作为双电层超级电容器的电极材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外超级电容器的研究发展现状[J]. 周晓航,方鲲,李玫. 新材料产业. 2015(03)
[2]超级电容器综述[J]. 刘小军,卢永周. 西安文理学院学报(自然科学版). 2011(02)
[3]超级电容器的原理及应用[J]. 陈英放,李媛媛,邓梅根. 电子元件与材料. 2008(04)
博士论文
[1]碳基复合材料的设计、规模化制备及其在超级电容器中的应用[D]. 陈立锋.中国科学技术大学 2013
本文编号：3221497
【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】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种类型储能设备的能量密度功率密度对比图(Ragone图)[8]
第1章绪论-3-1.2.1双电层超级电容器通常，EDLC由两个具有高比表面积的碳基电极，电解质和隔膜组成(图12)[16]。当超级电容器充电时，电解质中的阳离子会移动到负极电极，而阴离子会迁移到正极电极。双电层的概念最早由Helmholtz提出，然后Gouy和Chapman改进了这个简单的模型：他们引入了一个扩散层，该扩散层是由于靠近电极表面的离子积累而产生的。但是，Gouy-Chapman模型高估了双电层电容，由于电容器两个分离的电荷阵列与它们距离成反比，因此最终得到了很大的电容值。后来，斯特恩将这两个模型结合起来，定义了离子分布的两个部分分别是致密层和扩散层。在致密层中，水合离子被电极强烈吸附，致密层由特异性吸附的离子和非特异性吸附的抗衡离子组成。扩散层是Gouy-Chapman模型定义的。EDLC中的电容可被视为来自致密层和扩散层的电容的组合。对于平板电容器，EDLC通常由以下公式给出：C=εrε0Ad(1-1)其中εr是电解质的介电常数，ε0是真空的介电常数，A是电解质离子可用的电极表面积，d是双电层的有效厚度，C是双电层电容。然而，也有一些工作表明，电容和比表面积没有显示线性关系。这种非线性主要归因于存在一部分大溶剂化离子无法进入一些微孔造成的。Huang等人考虑了这种孔隙分布，并根据孔隙大小分离了电容[17]。无论采用哪种类型的碳材料和电解质，它们的模型都与实验结果非常吻合。迄今为止，各种碳材料诸如活性炭，碳纳米管（CNT）和石墨烯之类的化合物因其高比表面积，高电导率，易于加工和高化学稳定性而成为最广泛使用的活性电极材料。图12双电层超级电容器的储能机理[16]Fig.12SchematicstructureofanEDLC[16]
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-4-1.2.2赝电容器EDLC的电容在很大程度上取决于电极材料的表面积和孔径分布。相反，赝电容器通过电解质与电极材料之间的快速且可逆的氧化还原反应来存储能量，如图1-3所示[18]，当将电压施加到赝电容器上时，电极材料上就会发生快速且可逆的氧化还原反应。赝电容器和电池发生的氧化还原反应的过程也存在着不同，赝电容器主要归因于热力学的原因，而电池是利用能斯特过程发生的氧化还原反应，并且两个电极材料之间的电位在理想状态下，应保持恒定[19]。由于赝电容器的电极材料既可以在表面发生氧化还原反应，同时也可以在体相中发生氧化还原反应，因此它可以产生比双电层电容器高10-100倍的比容量[20]。但由于法拉第反应在存储电荷过程中所需时间较长。所以赝电容器在功率密度和循环稳定性上是低于双电层电容器的[21]。赝电容器的典型电极材料包括导电聚合物[22-25]、金属氧/硫化物或氢氧化物[26-30]。图13赝电容器的储能机理[16]Fig.13Schematicstructureofthepseudocapacitortype[16]1.3超级电容器电极材料的研究现状1.3.1碳材料多孔碳材料众所周知是应用于超级电容器中的理想材料不仅由于其易于获得和无毒的特性，而且还因为它们具有高比表面积、优异的电子传导性、高的化学稳定性和较宽工作范围[31-35]。在过去几年中，已经广泛报道了各种碳材料，例如活性炭，石墨烯和碳纳米管(CNT)作为双电层超级电容器的电极材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外超级电容器的研究发展现状[J]. 周晓航,方鲲,李玫. 新材料产业. 2015(03)
[2]超级电容器综述[J]. 刘小军,卢永周. 西安文理学院学报(自然科学版). 2011(02)
[3]超级电容器的原理及应用[J]. 陈英放,李媛媛,邓梅根. 电子元件与材料. 2008(04)
博士论文
[1]碳基复合材料的设计、规模化制备及其在超级电容器中的应用[D]. 陈立锋.中国科学技术大学 2013
本文编号：3221497
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