镍/钴基复合正极材料的制备及其超级电容器性能研究
发布时间：2021-06-12 22:13
得益于快速的充放电过程、高功率密度和良好的循环稳定性等优点,超级电容器作为能源存储设备不仅活跃于日常消费电子产品中,而且在新能源汽车、微电网等前沿领域有着极其广泛的应用。然而目前所使用的超级电容器大部分存在着比电容低,工作电压窗口小,能量密度不高等问题。混合电容器是基于正极法拉第电容材料和负极双电层电容材料组装而成的电容器,通过将两种储能性质不同的材料组合到一起,可以实现更高的比电容以及更高的能量密度,有望得到高性能的超级电容器。本篇论文的研究主要针对在电化学性能上有巨大潜力的正极法拉第电容材料进行开展,选取了具有高理论比电容的镍/钴基电极材料为主要研究对象。通过不同的合成方法,考察一系列三维镍/钴基氢氧化物、硫/磷化物以及复合材料的电化学活性,分析影响活性的主要原因,并实现超级电容器性能的提升。首先,通过一步溶剂热法,在不添加碱源的条件下合成了具有三维花状结构的银复合镍钴层状氢氧化物三元电极材料。研究发现,相比于未复合的镍钴层状氢氧化物,复合材料在层级结构上更加开阔,提高了材料的比表面积,改善了材料与电解液的接触。电化学测试结果表明复合材料具有更高的活性,在1 A/g电流密度下展现出...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
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?線／钴基复合正极材料的制备及其超级电容器性能研究??电容器储能过程的基本原理如图１．２所示。从本质上来看，双电层电容器的储能主要依??靠电场作用来实现。充电过程中，在外加电场作用下，正负电极表面分别聚集正负电荷，??同时电解液中的正负自由罔子也在电场的驱使Ｆ分别向负电极表面和正电极表丨則迁移。??充电完成之后，正负电极表面均形成双电层结构，整个电容器相当于两个双电层电容串??联在一起。放电过程则与充电过程相反，随着外加电场强度的减弱直至消失，正负电极??之间的电势差降低，吸附于极板表面的正负离子重新进入电解液中，同时完成正负电荷??的释放。根据双电层电容器储能原理，双电层电容器实际上相当于两个串联的电容器，??因此将正负极的电容记为ＣＶ、可以得出双电层电容器的总电容Ｃｒｗ／的计算公式如??Ｔ：?ｌ／ＣＴｂｒｎ＾ｌ／ＣＶ＋ｌ／Ｃ。若对象为对称的双电层电容器，则ｃ＋?＝?ｃ．，即电容器总电容??为单个电极电容的１／２［２（）］。??１充电丨?丨充电完毕丨?丨放电；???——????＿＿＿睡５?＿??离ｒ？的畈附?离ｒ？的脱附??图１．２双电层电容器充放电原理示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｗｏｒｋ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ??整个双电层储能过程不涉及任何化学反应过程，主要就是电荷在电场作用＿Ｆ的吸附??脱附过程
Ｆｉｇ．?１．４?Ｗｏｒｋ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｆａｒａｄｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ??无论是哪类法拉第电容器，其储能原理都是基于氧化还原反应过程，具体的储能原??理如图１．４所示（以碱性电解液环境为例）。在充放电过程中，负载在集流体表面的活性??材料与电解液接触并发生可逆的氧化还原反应，由此释放或者得到电子，从而实现存储??电荷获得相应的比电容。与双电层电容器相比，法拉第电容器的氧化还原反应在电极的??表面以及内部都可发生，因而具有更高的比电容。此外，对于电池型法拉第电容器来说，??其氧化还原反应发生的位点可能需要深入到电极材料内部，因此离子的扩散速度以及电??化学反应速率对性能存在较大制约，虽然其具有的比电容远高于双电层电容器，但是相??应的稳定性和导电性较差。如何提高电池型法拉第电容材料的稳定性和导电性是亟待解??决的关键问题，是本篇中主要研究内容之一。??１．１．１．３混合电容器??对于双电层电容器而言，虽然其具有较大的工作电压窗口，然而碳材料本身有限的??比电容限制了器件的容量
【参考文献】：
期刊论文
[1]活性炭制备及双电层电容器性能研究[J]. 陈锦连,伍宝珊,梁翠媚,李佳怡,陈星阳,周建敏. 化学工程师. 2017(11)
[2]NiCo2S4/石墨纸的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 廖明佳,赵红静,乔雷,周志恩. 广东化工. 2017(15)
[3]层状双氢氧化物及其复合材料在超级电容器领域的研究进展[J]. 单乾元,张育新,周正. 电子元件与材料. 2017(08)
[4]超级电容器电极材料与电解液的研究进展[J]. 焦琛,张卫珂,苏方远,杨宏艳,刘瑞祥,陈成猛. 新型炭材料. 2017(02)
[5]超级电容器过渡金属氧化物电极材料研究进展[J]. 李叶华,陈上,于小林,吴贤文. 吉首大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]双电层电容器储能机理研究概述[J]. 向宇,曹高萍. 储能科学与技术. 2016(06)
[7]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[8]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[9]超级电容器及其在新能源汽车中的应用[J]. 李玉鹏,周时国,杜颖颖. 客车技术与研究. 2014(02)
[10]国内外新能源产业发展动态[J]. 陈柳钦. 河北经贸大学学报. 2011(05)
博士论文
[1]基于金属有机骨架的超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 张义东.东南大学 2016
[2]过渡金属氧化物基复合电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 张莉.东北师范大学 2015
[3]混合型超级电容器关键材料的设计及器件构造[D]. 申来法.南京航空航天大学 2014
[4]高性能电极材料及新型非对称超级电容器的研究[D]. 赵翠梅.吉林大学 2014
[5]过渡金属磷化物的制备、表征和肼分解性能的研究[D]. 程瑞华.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2006
硕士论文
[1]镍钴硫化物的超电容行为研究[D]. 管兵.扬州大学 2017
[2]多形貌超薄镍钴基纳米复合物的制备及其超级电容器性能的研究[D]. 叶林.吉林大学 2017
[3]CNTs/钴镍氧化物复合超级电容器粉体的制备及相关性能研究[D]. 赵庆强.山东大学 2017
[4]超级活性炭的结构及其电化学性能研究[D]. 李倩倩.华东理工大学 2017
[5]硫化物纳米材料的制备及其超级电容器性能研究[D]. 张思文.哈尔滨师范大学 2016
[6]硫化镍复合材料的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 张锦芳.华侨大学 2016
[7]镍钴双金属硫化物复合电极的制备及其超级电容性能研究[D]. 余传军.哈尔滨工程大学 2016
[8]新型二维过渡金属硫化物的制备及电化学性能研究[D]. 张继宗.信阳师范学院 2016
[9]过渡金属（双）氢氧化物基电极材料制备及其超级电容器性能研究[D]. 王力群.兰州理工大学 2014
[10]镍—钴的氢氧化物作为超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 吕播瑞.吉林大学 2013
本文编号：3226384
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图.翻面困(明巾栩->>
?線／钴基复合正极材料的制备及其超级电容器性能研究??电容器储能过程的基本原理如图１．２所示。从本质上来看，双电层电容器的储能主要依??靠电场作用来实现。充电过程中，在外加电场作用下，正负电极表面分别聚集正负电荷，??同时电解液中的正负自由罔子也在电场的驱使Ｆ分别向负电极表面和正电极表丨則迁移。??充电完成之后，正负电极表面均形成双电层结构，整个电容器相当于两个双电层电容串??联在一起。放电过程则与充电过程相反，随着外加电场强度的减弱直至消失，正负电极??之间的电势差降低，吸附于极板表面的正负离子重新进入电解液中，同时完成正负电荷??的释放。根据双电层电容器储能原理，双电层电容器实际上相当于两个串联的电容器，??因此将正负极的电容记为ＣＶ、可以得出双电层电容器的总电容Ｃｒｗ／的计算公式如??Ｔ：?ｌ／ＣＴｂｒｎ＾ｌ／ＣＶ＋ｌ／Ｃ。若对象为对称的双电层电容器，则ｃ＋?＝?ｃ．，即电容器总电容??为单个电极电容的１／２［２（）］。??１充电丨?丨充电完毕丨?丨放电；???——????＿＿＿睡５?＿??离ｒ？的畈附?离ｒ？的脱附??图１．２双电层电容器充放电原理示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｗｏｒｋ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ??整个双电层储能过程不涉及任何化学反应过程，主要就是电荷在电场作用＿Ｆ的吸附??脱附过程
Ｆｉｇ．?１．４?Ｗｏｒｋ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｆａｒａｄｉｃ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ??无论是哪类法拉第电容器，其储能原理都是基于氧化还原反应过程，具体的储能原??理如图１．４所示（以碱性电解液环境为例）。在充放电过程中，负载在集流体表面的活性??材料与电解液接触并发生可逆的氧化还原反应，由此释放或者得到电子，从而实现存储??电荷获得相应的比电容。与双电层电容器相比，法拉第电容器的氧化还原反应在电极的??表面以及内部都可发生，因而具有更高的比电容。此外，对于电池型法拉第电容器来说，??其氧化还原反应发生的位点可能需要深入到电极材料内部，因此离子的扩散速度以及电??化学反应速率对性能存在较大制约，虽然其具有的比电容远高于双电层电容器，但是相??应的稳定性和导电性较差。如何提高电池型法拉第电容材料的稳定性和导电性是亟待解??决的关键问题，是本篇中主要研究内容之一。??１．１．１．３混合电容器??对于双电层电容器而言，虽然其具有较大的工作电压窗口，然而碳材料本身有限的??比电容限制了器件的容量
【参考文献】：
期刊论文
[1]活性炭制备及双电层电容器性能研究[J]. 陈锦连,伍宝珊,梁翠媚,李佳怡,陈星阳,周建敏. 化学工程师. 2017(11)
[2]NiCo2S4/石墨纸的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 廖明佳,赵红静,乔雷,周志恩. 广东化工. 2017(15)
[3]层状双氢氧化物及其复合材料在超级电容器领域的研究进展[J]. 单乾元,张育新,周正. 电子元件与材料. 2017(08)
[4]超级电容器电极材料与电解液的研究进展[J]. 焦琛,张卫珂,苏方远,杨宏艳,刘瑞祥,陈成猛. 新型炭材料. 2017(02)
[5]超级电容器过渡金属氧化物电极材料研究进展[J]. 李叶华,陈上,于小林,吴贤文. 吉首大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]双电层电容器储能机理研究概述[J]. 向宇,曹高萍. 储能科学与技术. 2016(06)
[7]能源革命:从化石能源到新能源[J]. 邹才能,赵群,张国生,熊波. 天然气工业. 2016(01)
[8]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[9]超级电容器及其在新能源汽车中的应用[J]. 李玉鹏,周时国,杜颖颖. 客车技术与研究. 2014(02)
[10]国内外新能源产业发展动态[J]. 陈柳钦. 河北经贸大学学报. 2011(05)
博士论文
[1]基于金属有机骨架的超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 张义东.东南大学 2016
[2]过渡金属氧化物基复合电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 张莉.东北师范大学 2015
[3]混合型超级电容器关键材料的设计及器件构造[D]. 申来法.南京航空航天大学 2014
[4]高性能电极材料及新型非对称超级电容器的研究[D]. 赵翠梅.吉林大学 2014
[5]过渡金属磷化物的制备、表征和肼分解性能的研究[D]. 程瑞华.中国科学院研究生院（大连化学物理研究所） 2006
硕士论文
[1]镍钴硫化物的超电容行为研究[D]. 管兵.扬州大学 2017
[2]多形貌超薄镍钴基纳米复合物的制备及其超级电容器性能的研究[D]. 叶林.吉林大学 2017
[3]CNTs/钴镍氧化物复合超级电容器粉体的制备及相关性能研究[D]. 赵庆强.山东大学 2017
[4]超级活性炭的结构及其电化学性能研究[D]. 李倩倩.华东理工大学 2017
[5]硫化物纳米材料的制备及其超级电容器性能研究[D]. 张思文.哈尔滨师范大学 2016
[6]硫化镍复合材料的制备及其在超级电容器中的应用[D]. 张锦芳.华侨大学 2016
[7]镍钴双金属硫化物复合电极的制备及其超级电容性能研究[D]. 余传军.哈尔滨工程大学 2016
[8]新型二维过渡金属硫化物的制备及电化学性能研究[D]. 张继宗.信阳师范学院 2016
[9]过渡金属（双）氢氧化物基电极材料制备及其超级电容器性能研究[D]. 王力群.兰州理工大学 2014
[10]镍—钴的氢氧化物作为超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 吕播瑞.吉林大学 2013
本文编号：3226384
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