碳布基金属氧化物/碳柔性电极材料的构筑及电化学电容性能研究

发布时间：2021-07-20 13:41

　　伴随着近年来对能源的需求日益增加,化石能源出现了日益枯竭的现象,同时化石能源的大量开发和利用对环境和生态造成了严重的污染和破坏。所以人类必须寻找一种可再生的清洁能源,改变目前主要的能源消耗模式。开发新型高效的储能材料与器件,电化学储能材料与器件便是主要的研究方向之一。同时,随着当今电子设备正呈现出柔性化和轻薄化的发展趋势,开发出具有体积小、重量轻、低成本、加工性能和电化学性能优异的柔性电化学电容器及其电极材料具有十分重要的意义。本课题选择以碳布为基底,利用碳布本身良好的导电性能,在其表面构筑双电层和赝电容材料,研究其在碳布基柔性电化学电容器电极材料中的应用。具体的研究内容如下:（1）使用水热合成法和热分解法,在碳布纤维的表面生长一层多孔的氧化镍纳米线,制备出氧化镍/碳布柔性电极材料。（2）通过多步骤合成法,首先,通过水热法在碳布上合成作为模板的氧化锌（ZnO）纳米棒阵列,以葡萄糖为碳源通过高温碳化方法在合成ZnO纳米棒的表面生长均匀的碳层。在去除ZnO纳米棒之后,在碳布表面生长良好阵列形式的碳纳米管。最后,超薄多孔钴酸镍纳米片沉积在碳纳米管/碳布上制备出钴酸镍/碳纳米管/碳布（Ni C... 

【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

（a）双电层电容的储能机制；（b）双电层电容器的充放电过程

继双层电容器后，又发展了赝电容器。赝电容，也被称为法拉第赝电容，是电活性物质在电极表面或体相中的二维或准二维空间上进行欠电位沉积，发生高度可逆的氧化、还原反应或化学吸附、脱附，产生和电极充电电位有关的电容。赝电容不仅只在电极表面，而是可以在整个电极内部产生，因此可以获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下，赝电容的电容量可以达到双电层的 10～100 倍[9]。图 1.2 为赝电容器的工作原理。目前赝电容电极材料的研究主要集中于金属氧化物和导电聚合物等[10,11]。金属氧化物基超级电容器目前研究最为成功的电极材料为氧化钌，但是由于贵金属的资源有限，价格过高而限制了对它的使用，对于金属氧化物电容器的研究主要在于保证性能的条件下降低材料的成本，寻找较廉价的金属氧化物材料（如 NiO、Co3O4、MnO2和 WO3等）。

碳纸上垂直排列碳纳米管，制备出一种新型复合材料作为超级电容器的电极电流密度高达 150A/g 时，其比电容依然能够达到 180F/g[23]。1.3.2 海绵基柔性电极海绵是多孔材料中的一种，其具有良好的吸水性，在生活中常用于清洁物美国斯坦福大学的 Yi Cui 课题组通过浸渍、烘干的简单工艺将碳纳米管（C负载在海绵上，再通过化学沉积法，制备出 MnO2/CNTs/海绵复合柔性电极种电极材料显示出了良好的电化学性能（比电容为 1230 F/g）和高的循环稳（10000 次循环后仅损失 4%）。但是此方法所用的 CNTs 造价较为昂贵，极大限制了这种电极材料的进一步大规模工业化生产和实际应用。具体的流如图 1.3 所示。


本文编号：3292932