钴基纳米材料的制备及其在混合型超级电容器中的应用
发布时间：2021-06-18 20:19
随着人口的日益增加和能源的枯竭,人们迫切渴望研究出许多可再生能源来满足他们对生活的需求。超级电容器作为一种新型的能量储存的元器件,凭借自身的优异性能,在实际应用中具有广泛的前景。作为超级电容器的种类之一,混合型超级电容器因具有较高的能量密度以及快速充放电等优点在超级电容器中脱颖而出,成为目前能源储存的研究热点。混合型超级电容器主要由电池型正极材料、电容性负极材料以及电解质构成。其中,电极材料对超级电容器性能具有较大影响。而电池型电极材料在充放电过程中因体积膨胀而导致的超级电容器稳定性降低,使其性能降低。为解决电池型正极材料这一问题,本文主要以具有较高理论比电容的钴基纳米材料为基础,通过对其进行各方面改进来制备出具有较高电化学性能的正极材料,从而提高混合型超级电容器的性能。具体的研究内容主要有以下三个方面:（1）采用共沉淀法合成生长在泡沫镍上的具有类普鲁士蓝结构的铁氰酸镍钴即Ni2CoHCF/NF,因其多孔,比表面积大的独特结构有利于碱金属离子的快速迁移,可作为碱金属离子的嵌脱型材料。在2 M KOH溶液中对其进行一系列电化学测试。结果表明,当电流密度为0.5 A g-1时,铁氰酸镍钴的...
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1.双电层电容器工作原理[22]
-3-始比能保留。Zhang[34]等使用类似的含硫前体（ASCP）制备活性炭（AC），前驱体中的FeS2可以与活化剂KOH反应生成硫化合物，通过复杂的KOH活化过程，前体中的某些无机FeS2可以转化为有机硫化物，作为所得AC的基本部分，来提高AC的性能。石墨烯是目前研究最多且最有应用前景的双电层电极材料之一。Down[35]等通过Hummers法来合成氧化石墨烯纳米片，并将其组装成超级电容器，该电容器具有优异的功率密度，其可高达13.9kWkg-1，此时能量密度为11.6Whkg-1，这项工作表明，GO本身就是一种高性能的超级电容器材料；Down[36]等首次全面研究了通过化学气相沉积法制造的三维独立式石墨烯大孔材料的电容性能，将其用作潜在的超级电容器材料。这种材料在水溶液中在16.6μAg-1充电时表现出266μF的电容并通过使用离子液体作为电解成分，证明了能量存储的进一步改善。3D石墨烯超级电容器的单位能量密度为40.94Whkg-1，功率密度为29.33kWkg-1。并证明了这种材料的电容受离子迁移率和电解质分子质量的影响对在石墨烯电极表面上形成EDLC产生深远影响；较高的分子量会使电荷双层更缓慢地形成，从而导致电容性能稍差。1.3.2赝电容电容器及电极材料图1-2.赝电容器工作原理[22]Fig.1-2.Theenergystoragemechanismofpseudocapacitor赝电容电容器（Pseudocapacitor，PC）也称之为法拉第准电容器，其储能原理是通过法拉第反应来实现。也就是先对电极表面的活性材料施加电压，使其可以发生快速且可逆的氧化还原反应，并通过该氧化还原反应来储存电荷[37,38]。赝电容电容器的储能原理如图1-2所示，当该电容器充电的时候，电解液中的部分离子会移动并在电极表面形成双电层，与此同时，另外一部分的离子会进入活性材料的内部并发
-7-不对称超级电容器的正负极材料一般是由两种储能机理不同的电极材料构成的，通常是由双电层电极材料和赝电容电极材料共同组成。例如V2O5//AC[77]，rGO@Mn3O4//rGO@VO2[78]等等。如Guo[79]等使用TiO2纳米棒阵列作为支架制备了聚（吲哚6-羧酸）（PICA）/TiO2纳米复合材料，这种纳米复合材料可以可逆地转换（黄色，绿色，棕色），并将PICA/TiO2纳米复合材料作为负极材料和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）作为正极材料构建了PICA/TiO2//PEDOTESD不对称电致变色超级电容器器件（ESD）。此ESD具有强大的循环稳定性和较高的比电容值（9.65mFcm-2），可以将其从浅绿色切换为深蓝色，并且还可以通过相应的颜色变化来监视能量存储水平。这种构造的ESD将在智能储能和其他智能电子领域中具有巨大的潜在应用。1.4.3混合型超级电容器图1-3.混合型电容器的工作原理[22]Fig.1-3.Theenergystrangmechanismofhybridsupercapacitor混合型超级电容器是不对称型超级电容器的特定类别，其描述了两个电极具有两种不同的电荷存储机制的情况：一种电容性电池和一种电池型法拉第电池的。近期也有许多关于混合型超级电容器的研究，由法拉第电极和碳电极组成的器件代表了混合电容器器件的典型类型。例如，CNT@Ni@Ni2(CO3)(OH)2//AC[80]，NiS2/MoS2//AC[81]，Mn1Ni3O4//graphene-CNT[82]等等。Tyagi[83]等构建了Ni0.80V0.20LDH//AC的混合型超级电容器，该器件在1Ag-1的电流密度下显示最大比电容为98Fg-1，并且当功率密度为0.78kWkg-1时，能量密度为30.6Whkg-1；在功率密度为11.1kWkg-1时，能量密度保持为24Whkg-1；Mirghni[84]等通过水热法合成了磷酸镍钴/石墨烯泡沫塑料（NiCo(PO4)3/GF）复合材料，并用制造的混合超级电容器器件
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于高性能非对称超级电容器电极的泡沫镍负载分层介孔Co3O4@ZnCo2O4混合纳米线阵列（英文）[J]. 李蒙刚,杨微微,黄雅荣,于永生. Science China Materials. 2018(09)
本文编号：3237316
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1.双电层电容器工作原理[22]
-3-始比能保留。Zhang[34]等使用类似的含硫前体（ASCP）制备活性炭（AC），前驱体中的FeS2可以与活化剂KOH反应生成硫化合物，通过复杂的KOH活化过程，前体中的某些无机FeS2可以转化为有机硫化物，作为所得AC的基本部分，来提高AC的性能。石墨烯是目前研究最多且最有应用前景的双电层电极材料之一。Down[35]等通过Hummers法来合成氧化石墨烯纳米片，并将其组装成超级电容器，该电容器具有优异的功率密度，其可高达13.9kWkg-1，此时能量密度为11.6Whkg-1，这项工作表明，GO本身就是一种高性能的超级电容器材料；Down[36]等首次全面研究了通过化学气相沉积法制造的三维独立式石墨烯大孔材料的电容性能，将其用作潜在的超级电容器材料。这种材料在水溶液中在16.6μAg-1充电时表现出266μF的电容并通过使用离子液体作为电解成分，证明了能量存储的进一步改善。3D石墨烯超级电容器的单位能量密度为40.94Whkg-1，功率密度为29.33kWkg-1。并证明了这种材料的电容受离子迁移率和电解质分子质量的影响对在石墨烯电极表面上形成EDLC产生深远影响；较高的分子量会使电荷双层更缓慢地形成，从而导致电容性能稍差。1.3.2赝电容电容器及电极材料图1-2.赝电容器工作原理[22]Fig.1-2.Theenergystoragemechanismofpseudocapacitor赝电容电容器（Pseudocapacitor，PC）也称之为法拉第准电容器，其储能原理是通过法拉第反应来实现。也就是先对电极表面的活性材料施加电压，使其可以发生快速且可逆的氧化还原反应，并通过该氧化还原反应来储存电荷[37,38]。赝电容电容器的储能原理如图1-2所示，当该电容器充电的时候，电解液中的部分离子会移动并在电极表面形成双电层，与此同时，另外一部分的离子会进入活性材料的内部并发
-7-不对称超级电容器的正负极材料一般是由两种储能机理不同的电极材料构成的，通常是由双电层电极材料和赝电容电极材料共同组成。例如V2O5//AC[77]，rGO@Mn3O4//rGO@VO2[78]等等。如Guo[79]等使用TiO2纳米棒阵列作为支架制备了聚（吲哚6-羧酸）（PICA）/TiO2纳米复合材料，这种纳米复合材料可以可逆地转换（黄色，绿色，棕色），并将PICA/TiO2纳米复合材料作为负极材料和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）作为正极材料构建了PICA/TiO2//PEDOTESD不对称电致变色超级电容器器件（ESD）。此ESD具有强大的循环稳定性和较高的比电容值（9.65mFcm-2），可以将其从浅绿色切换为深蓝色，并且还可以通过相应的颜色变化来监视能量存储水平。这种构造的ESD将在智能储能和其他智能电子领域中具有巨大的潜在应用。1.4.3混合型超级电容器图1-3.混合型电容器的工作原理[22]Fig.1-3.Theenergystrangmechanismofhybridsupercapacitor混合型超级电容器是不对称型超级电容器的特定类别，其描述了两个电极具有两种不同的电荷存储机制的情况：一种电容性电池和一种电池型法拉第电池的。近期也有许多关于混合型超级电容器的研究，由法拉第电极和碳电极组成的器件代表了混合电容器器件的典型类型。例如，CNT@Ni@Ni2(CO3)(OH)2//AC[80]，NiS2/MoS2//AC[81]，Mn1Ni3O4//graphene-CNT[82]等等。Tyagi[83]等构建了Ni0.80V0.20LDH//AC的混合型超级电容器，该器件在1Ag-1的电流密度下显示最大比电容为98Fg-1，并且当功率密度为0.78kWkg-1时，能量密度为30.6Whkg-1；在功率密度为11.1kWkg-1时，能量密度保持为24Whkg-1；Mirghni[84]等通过水热法合成了磷酸镍钴/石墨烯泡沫塑料（NiCo(PO4)3/GF）复合材料，并用制造的混合超级电容器器件
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于高性能非对称超级电容器电极的泡沫镍负载分层介孔Co3O4@ZnCo2O4混合纳米线阵列（英文）[J]. 李蒙刚,杨微微,黄雅荣,于永生. Science China Materials. 2018(09)
本文编号：3237316
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3237316.html
