镍基磷化物—碳复合材料的制备及电化学储能性能研究
发布时间：2021-06-12 04:19
随着世界范围内可再生能源的高效利用和电动汽车市场的迅速扩张,可充电电池/电容器技术,特别是超级电容器和碱金属离子电池的重要性稳步提高。在过去的几年中,超级电容器（SCs）、锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）作为当代三种重要的电化学储能器件,具有高功率密度、高循环寿命等优点,能够满足特定的应用需求。当下,锂离子电池已经占领了便携式电子产品市场,如手表、手机和笔记本电脑等,它们也被确定为电动汽车和固定式能量储存的首选能源。过渡金属基材料由于在超级电容器电化学过程中涉及法拉第电荷的转移过程,因而能储存比碳材料更多的能量。本论文以过渡金属化合物为研究基础,结合不同结构的先进的碳材料,利用不同的磷化工艺,制备了含碳的镍-磷金属化合物复合材料,并研究了其作为不同储能器件电极材料的性能。在添加碳材料的同时,也研究了其他掺杂元素、表面改性等其他增强电化学性能的方法对金属磷化物电化学性能的影响。具体研究内容如下:（1）通过一步溶剂热磷化反应和超声工艺,制备了磷化镍-镍@氮掺杂碳@石墨烯复合材料（Ni2P-Ni@NC@G）。在用作超级电容器电极材料时表现出了卓越的电化学性...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
储能器件的功率密度和能量密度图(Muzaffar.,2019)
3其固有的可逆工作模式而具有很高的循环性（寿命），它可以根据需要存储能量并为用电元件（如发光二极管、传感器）供电。图1-2对比了超级电容器和电池在充放电过程中的行为。可以看出，电池在电压在很长的时间间隔内几乎保持恒定，从而在恒流充放电过程中形成平台曲线。相反，理想超级电容器在这些过程中电压有线性变化。电池和超级电容器所表现出的这些不同的电化学行为在不同的实际情况下是有利的，因为它们可以允许不同的技术应用的发展，包括储存的能量。相反，对于超级电容器可替代传统电池的特定应用，超级电容器的电化学特性可以通过使用赝电容材料来定制，以在类似于“非电池类电池”的放电过程中获得更稳定的电压分布。Chen(Chen.,2017)最近回顾了电化学储能装置的基本原理，重点澄清了一些文献中的混淆，例如电容性和非电容性法拉第电荷储存机制之间的差异，以及阴极和阴极（如正电子）之间的差异，在阳极和阳极之间（如阳极），此外Chen还讨论了赝电容的概念、起源及其与半导体能带模型的关系。图1-2超级电容器和电池装置的恒电流充放电过程的比较，说明：（1）tc和td分别是充放电时间；（2）vw是超级电容器的电压，相当于类似于电池的开路电压；（3）vmax和vmin分别表示充电和放电过程结束时达到的最大和最小电压，并且（4）ESR是等效串联电阻(A.K.ShuklaandVijayamohanan,2000)
5图1-3（a）采用碳电极和电极/电解液界面电压降的双电层电容器;不同过程导致的赝电容行为：（b）欠电位沉积方式（c）氧化还原赝电容机理（d）插层赝电容过程(DaSilva.,2020)赝电容存储的基本过程可以大致分为三类：首先，如图1-3（b）所示金属离子以高于标准氧化还原电位的电位在不同的金属基底上形成单层吸附状态时，可以证实称为欠电位沉积的电化学现象，例如(Herrero.,2001)，当铅沉积在金衬底的表面上时，就是典型的欠电位沉积过程。其次，如图1-3（c），当存在于固相中的离子（例如吸附在金属氧化物电极的表面或表面附近）导致法拉第（氧化还原）过程的发生时，最典型的例子是水合二氧化钌（RuO2xH2O）电极中存在的Ru（III）/Ru（IV）态氧化还原反应(Trasatti,1991)，而目前大多数的超级电容器原理便是基于这种赝电容反应。最后，插入赝电容是发生在离子插入氧化还原活性材料的通道或层中而不改变活性材料的晶体结构同时伴随的电荷转移（法拉第）过程。例如(Augustyn.,2013)，锂离子插入到Nb2O5或MnO2的结构中，但并未发生金属原子化合价的变化，这也是一种赝电容，如图1-3（d）。提高超级电容器能量密度（E）的一个非常有用的策略，就是制备非对称超级电容器，如图1-4（a）所示。它保持了水电解质中电极材料的固有特性，由于电池结构的优势以此获得更高的电池电压。在充放电过程中，阳极和阴极在不同的电压窗口上工作，（因为无明显重叠电压范围的类电池和类电容器电极的连接可提供具有高电容的非对称超级电容器。）不对称超级电容器可以用不同的结构包括：（1）由相同的碳材料组成但具有不同厚度（质量）的两个电极，（2）两个不同的碳电极，（3）使用不同的材料（例如EDLC电极和赝电容电极）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Newly Design Porous/Sponge Red Phosphorus@Graphene and Highly Conductive Ni2P Electrode for Asymmetric Solid State Supercapacitive Device With Excellent Performance[J]. Nazish Parveen,Muhammad Hilal,Jeong In Han. Nano-Micro Letters. 2020(02)
[2]Bimetallic NiCo2S4 Nanoneedles Anchored on Mesocarbon Microbeads as Advanced Electrodes for Asymmetric Supercapacitors[J]. Yu Zhang,Yihe Zhang,Yuanxing Zhang,Haochen Si,Li Sun. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]Facile synthesis of high electrical conductive CoP via solid-state synthetic routes for supercapacitors[J]. Yumei Hu,Maocheng Liu,Qingqing Yang,Lingbin Kong,Long Kang. Journal of Energy Chemistry. 2017(01)
[4]基于碳材料的可伸缩型超级电容器的研究进展（英文）[J]. 张熙悦,张昊喆,林子琦,于明浩,卢锡洪,童叶翔. Science China Materials. 2016(06)
博士论文
[1]碳纳米管薄膜在锂离子电池中的应用研究[D]. 王珂.清华大学 2015
本文编号：3225935
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
储能器件的功率密度和能量密度图(Muzaffar.,2019)
3其固有的可逆工作模式而具有很高的循环性（寿命），它可以根据需要存储能量并为用电元件（如发光二极管、传感器）供电。图1-2对比了超级电容器和电池在充放电过程中的行为。可以看出，电池在电压在很长的时间间隔内几乎保持恒定，从而在恒流充放电过程中形成平台曲线。相反，理想超级电容器在这些过程中电压有线性变化。电池和超级电容器所表现出的这些不同的电化学行为在不同的实际情况下是有利的，因为它们可以允许不同的技术应用的发展，包括储存的能量。相反，对于超级电容器可替代传统电池的特定应用，超级电容器的电化学特性可以通过使用赝电容材料来定制，以在类似于“非电池类电池”的放电过程中获得更稳定的电压分布。Chen(Chen.,2017)最近回顾了电化学储能装置的基本原理，重点澄清了一些文献中的混淆，例如电容性和非电容性法拉第电荷储存机制之间的差异，以及阴极和阴极（如正电子）之间的差异，在阳极和阳极之间（如阳极），此外Chen还讨论了赝电容的概念、起源及其与半导体能带模型的关系。图1-2超级电容器和电池装置的恒电流充放电过程的比较，说明：（1）tc和td分别是充放电时间；（2）vw是超级电容器的电压，相当于类似于电池的开路电压；（3）vmax和vmin分别表示充电和放电过程结束时达到的最大和最小电压，并且（4）ESR是等效串联电阻(A.K.ShuklaandVijayamohanan,2000)
5图1-3（a）采用碳电极和电极/电解液界面电压降的双电层电容器;不同过程导致的赝电容行为：（b）欠电位沉积方式（c）氧化还原赝电容机理（d）插层赝电容过程(DaSilva.,2020)赝电容存储的基本过程可以大致分为三类：首先，如图1-3（b）所示金属离子以高于标准氧化还原电位的电位在不同的金属基底上形成单层吸附状态时，可以证实称为欠电位沉积的电化学现象，例如(Herrero.,2001)，当铅沉积在金衬底的表面上时，就是典型的欠电位沉积过程。其次，如图1-3（c），当存在于固相中的离子（例如吸附在金属氧化物电极的表面或表面附近）导致法拉第（氧化还原）过程的发生时，最典型的例子是水合二氧化钌（RuO2xH2O）电极中存在的Ru（III）/Ru（IV）态氧化还原反应(Trasatti,1991)，而目前大多数的超级电容器原理便是基于这种赝电容反应。最后，插入赝电容是发生在离子插入氧化还原活性材料的通道或层中而不改变活性材料的晶体结构同时伴随的电荷转移（法拉第）过程。例如(Augustyn.,2013)，锂离子插入到Nb2O5或MnO2的结构中，但并未发生金属原子化合价的变化，这也是一种赝电容，如图1-3（d）。提高超级电容器能量密度（E）的一个非常有用的策略，就是制备非对称超级电容器，如图1-4（a）所示。它保持了水电解质中电极材料的固有特性，由于电池结构的优势以此获得更高的电池电压。在充放电过程中，阳极和阴极在不同的电压窗口上工作，（因为无明显重叠电压范围的类电池和类电容器电极的连接可提供具有高电容的非对称超级电容器。）不对称超级电容器可以用不同的结构包括：（1）由相同的碳材料组成但具有不同厚度（质量）的两个电极，（2）两个不同的碳电极，（3）使用不同的材料（例如EDLC电极和赝电容电极）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Newly Design Porous/Sponge Red Phosphorus@Graphene and Highly Conductive Ni2P Electrode for Asymmetric Solid State Supercapacitive Device With Excellent Performance[J]. Nazish Parveen,Muhammad Hilal,Jeong In Han. Nano-Micro Letters. 2020(02)
[2]Bimetallic NiCo2S4 Nanoneedles Anchored on Mesocarbon Microbeads as Advanced Electrodes for Asymmetric Supercapacitors[J]. Yu Zhang,Yihe Zhang,Yuanxing Zhang,Haochen Si,Li Sun. Nano-Micro Letters. 2019(02)
[3]Facile synthesis of high electrical conductive CoP via solid-state synthetic routes for supercapacitors[J]. Yumei Hu,Maocheng Liu,Qingqing Yang,Lingbin Kong,Long Kang. Journal of Energy Chemistry. 2017(01)
[4]基于碳材料的可伸缩型超级电容器的研究进展（英文）[J]. 张熙悦,张昊喆,林子琦,于明浩,卢锡洪,童叶翔. Science China Materials. 2016(06)
博士论文
[1]碳纳米管薄膜在锂离子电池中的应用研究[D]. 王珂.清华大学 2015
本文编号：3225935
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