基于双金属钴钒氢氧化物电极材料超级电容器的研究
发布时间：2021-06-28 12:06
进入21世纪,能源与人类社会的关系日益密切。随着人类社会和世界经济的快速发展,能源和环境问题日益严重,可持续发展是全人类的共同愿望。现如今,解决能源枯竭和生态环境污染问题是科技的要求,也是储能领域的挑战,开发环境友好、高性能、低成本的新型储能装置已成为当务之急。超级电容器（SCs）又称电化学电容器,是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能装置,近年来,由于其具有容量大、电阻低、充放电效率高、功率密度高、绿色环保等优点而成为研究热点。随着科学技术的进步和发展,人们对SCs的认识不断加深,各种具有特殊性能的电极材料和电解质已经出现。根据储能模型和储能结构,SCs可分为三种类型:双电层电容器（EDLCs）、赝电容器（PCs）和混合超级电容器（HSCs）。层状双金属氢氧化物化合物（LDHs）由于其特殊的结构（其层状结构能够提供多种平台和活性位点）,是典型的新型无机功能材料,在电化学领域具有巨大的潜力。然而,由于电子转移率相对较低,这种材料的充放电能力受到了限制,因此需要将其组装成一个混合超级电容器来提高性能。本文以双金属钴-钒为原料制备LDHs电极材料,探究其形貌特征及表面信息与电化学性能的关...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同电能存储技术的功率密度与能量能力对比
2超级电容器，又称为电化学电容器（ElectrochemicalCapacitors，ECs），是是一种基于高速静电或法拉第电化学过程的特殊电容器，是一种新型的储能设备[7]。SCs由浸泡在电解液中的一个正极和一个负极组成，并由离子渗透的电子绝缘分离器隔开，其电荷主要储存在活性材料的电极-电解质界面，如高表面多孔碳、金属氧化物或导电聚合物等[1]。虽然一般的充放电机理和性能原理与常规电容器相似，但初始超级电容器的比电容和能量密度比常规电容器提高了10万倍甚至更多。这是通过加入比表面积大1000倍的活性电极材料、纳米级介电距离和额外的赝电容来实现的。因此，超级电容器每台设备甚至可以存储几千法拉，远远高于传统电容器存储的微法拉或毫法拉[8]。在注重科技的今天，SCs的研究和应用得到了不断发展进步，经常提起的储能装置还包括电池（燃料电池、铅蓄电池、锂离子电池等）。在储能机理方面，SCs具有与电池不同的过程，是静电的、非法拉第的，具有快速充放电的优点。而在能量功率及功率密度方面，SCs与电池呈现出互补的状态（如图1.1所示），可以相互结合形成混合系统。1.2.1超级电容器分类SCs有两种不同的储能机制，根据储能机制SCs可以被分为双电层电容器（ElectricDoubleLayerCapacitors，EDLCs）、赝电容器（又称准Faradaic电容器，Pseudo-capacitors，PCs）以及混合电容器（HybridSupercapacitors，HSCs）三种类型，其中，HSCs是EDLCs与PCs相结合而产生的[9-12]。此外，根据正负极电极材料是否一致，SCs可以分为对称型超级电容器以及非对称型超级电容器（ASCs）。图1.2EDLCs原理图。(AccountsofChemicalResearch,2011,46(5):1094-1103)
3EDLCs是最简单和最商业化的SCs，当导电电极浸没在离子导电的电解质溶液中时，由于电极-电解质界面上电荷的迁移便会自发地形成双电层，电荷通过静电吸附在电极和电解质之间的界面完成物理存储[13]。EDLCs的一个显著特征是电极与电解质之间不发生电荷转移，即电极与电解质之间不发生电荷转移，没有法拉第过程发生，其比电容很大程度上取决于电极材料的有效比表面积和表面特性。由于电极具有多孔结构的高比表面积，因此EDLCs的行为高度依赖于电极材料的孔隙率，弯曲传质路径的亲和度、孔隙内的面积约束、与溶液有关的电现象以及溶液对孔隙表面的润湿性等因素对封闭系统中粒子的输运起着至关重要的控制作用。图1.2展示了多孔碳导电材料的EDLCs的机理。EDLCs的比电容（C）亥姆霍兹在1853年描述为:C=式（2.1）其中，代表了电解质溶液的介电常数；代表了真空状态下的介电常数；A为电极材料的有效比表面积；d表示双电层之间的距离（德拜长度）。这个电容模型后来由Gouy和Chapman、Stern和Geary改进，他们认为电解质中存在弥散层，这是由于靠近电极表面的离子积累造成的[14]。由于碳基材料具有良好的导电性、电化学稳定性和多孔性等优点，各种形式的碳纳米材料被研究和用作EDLCs电极的活性材料[15]。尽管有一些理论和实验研究，EDLCs中电荷在纳米结构表面的存储机制尚未完全阐明。因此，需要深入的理论和实验研究来准确评估微孔内电荷的存储机制，以实现EDLCs的可持续发展[4]。图1.3不同类型的赝电容性电极原理图。(JournalofPowerSources,1997,66:1-14)
本文编号：3254288
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同电能存储技术的功率密度与能量能力对比
2超级电容器，又称为电化学电容器（ElectrochemicalCapacitors，ECs），是是一种基于高速静电或法拉第电化学过程的特殊电容器，是一种新型的储能设备[7]。SCs由浸泡在电解液中的一个正极和一个负极组成，并由离子渗透的电子绝缘分离器隔开，其电荷主要储存在活性材料的电极-电解质界面，如高表面多孔碳、金属氧化物或导电聚合物等[1]。虽然一般的充放电机理和性能原理与常规电容器相似，但初始超级电容器的比电容和能量密度比常规电容器提高了10万倍甚至更多。这是通过加入比表面积大1000倍的活性电极材料、纳米级介电距离和额外的赝电容来实现的。因此，超级电容器每台设备甚至可以存储几千法拉，远远高于传统电容器存储的微法拉或毫法拉[8]。在注重科技的今天，SCs的研究和应用得到了不断发展进步，经常提起的储能装置还包括电池（燃料电池、铅蓄电池、锂离子电池等）。在储能机理方面，SCs具有与电池不同的过程，是静电的、非法拉第的，具有快速充放电的优点。而在能量功率及功率密度方面，SCs与电池呈现出互补的状态（如图1.1所示），可以相互结合形成混合系统。1.2.1超级电容器分类SCs有两种不同的储能机制，根据储能机制SCs可以被分为双电层电容器（ElectricDoubleLayerCapacitors，EDLCs）、赝电容器（又称准Faradaic电容器，Pseudo-capacitors，PCs）以及混合电容器（HybridSupercapacitors，HSCs）三种类型，其中，HSCs是EDLCs与PCs相结合而产生的[9-12]。此外，根据正负极电极材料是否一致，SCs可以分为对称型超级电容器以及非对称型超级电容器（ASCs）。图1.2EDLCs原理图。(AccountsofChemicalResearch,2011,46(5):1094-1103)
3EDLCs是最简单和最商业化的SCs，当导电电极浸没在离子导电的电解质溶液中时，由于电极-电解质界面上电荷的迁移便会自发地形成双电层，电荷通过静电吸附在电极和电解质之间的界面完成物理存储[13]。EDLCs的一个显著特征是电极与电解质之间不发生电荷转移，即电极与电解质之间不发生电荷转移，没有法拉第过程发生，其比电容很大程度上取决于电极材料的有效比表面积和表面特性。由于电极具有多孔结构的高比表面积，因此EDLCs的行为高度依赖于电极材料的孔隙率，弯曲传质路径的亲和度、孔隙内的面积约束、与溶液有关的电现象以及溶液对孔隙表面的润湿性等因素对封闭系统中粒子的输运起着至关重要的控制作用。图1.2展示了多孔碳导电材料的EDLCs的机理。EDLCs的比电容（C）亥姆霍兹在1853年描述为:C=式（2.1）其中，代表了电解质溶液的介电常数；代表了真空状态下的介电常数；A为电极材料的有效比表面积；d表示双电层之间的距离（德拜长度）。这个电容模型后来由Gouy和Chapman、Stern和Geary改进，他们认为电解质中存在弥散层，这是由于靠近电极表面的离子积累造成的[14]。由于碳基材料具有良好的导电性、电化学稳定性和多孔性等优点，各种形式的碳纳米材料被研究和用作EDLCs电极的活性材料[15]。尽管有一些理论和实验研究，EDLCs中电荷在纳米结构表面的存储机制尚未完全阐明。因此，需要深入的理论和实验研究来准确评估微孔内电荷的存储机制，以实现EDLCs的可持续发展[4]。图1.3不同类型的赝电容性电极原理图。(JournalofPowerSources,1997,66:1-14)
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