过渡金属化合物基柔性超级电容器的制备及其电化学性能研究
发布时间：2022-08-11 18:52
超级电容器作为一种重要的能量存储器件因为具有超快的充放电速度和超长的循环寿命等优点,以电子电源或电动电源的形式己经被广泛应用于各个领域。然而,超级电容器的能量密度相对于其他能量存储设备略显不足,目前通用的金属集流体占比较重,使得超级电容器中含有过多过重的不贡献电化学储能容量的“多余”部分。针对此问题,本论文主要研究和设计了性能优异且不含金属集流体的柔性自支撑正、负极材料,并组装、匹配成非对称水系以及全固态柔性超级电容器器件,通过增加活性物质比重和工作电压窗口的办法得到了高能量密度的超级电容器电极材料和器件。主要的工作和研究成果如下:（1）为了探索高性能柔性超级电容器负极材料,我们通过对碳纤维布在空气中进行控制退火处理的办法,制备了高电化学活性的柔性自支撑碳基负极。活化后的碳布在中性Na2SO4溶液中展现出宽的电化学储能电势窗口、较高的电容容量、以及优秀的循环性能;同时,该柔性碳布纤维在2 M的KOH溶液中也表现出优秀的性能。（2）通过高温水浴的方式成功地使MnO2均匀生长在了酸处理后的碳纳米管（CNT）表面得到MnO
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景(引言)
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器的结构和组成
1.2.2 超级电容器的储能机理及分类
1.2.2.1 双电层电容
1.2.2.2 赝电容
1.2.2.3 混合型电容
1.2.3 超级电容器电极材料
1.2.3.1 碳材料
1.2.3.2 金属化合物
1.2.3.3 导电聚合物
1.3 柔性超级电容器简介
1.3.1 金属集流体底柔性超级电容器
1.3.2 碳基柔性超级电容器
1.4 超级电容器特点及应用
1.4.1 超级电容器的特点
1.4.2 超级电容器的应用
1.5 本论文的选题目的及主要研究内容
第二章 实验材料与测试方法
2.1 实验材料
2.2 实验仪器及规格
2.3 材料表征
2.3.1 扫描电子显微镜
2.3.2 透射电子显微镜
2.3.3 X射线衍射仪
2.3.4 拉曼光谱
2.3.5 比表面仪
2.3.6 热重分析
2.3.7 X射线光电子能谱
2.3.8 傅里叶变换红外光谱仪
2.4 电化学性能测试及相关计算
2.4.1 三电极体系样品的制备
2.4.2 纽扣电池的装配
2.4.3 柔性薄膜电池的装配
2.4.4 循环伏安(CV)
2.4.5 交流阻抗(EIS)
2.4.6 恒流充放电测试
2.4.7 循环稳定性测试
2.4.8 倍率性能测试
2.4.9 能量密度和功率密度
第三章 柔性碳布的活化及其性能的研究
3.1 前言
3.2 实验部分
3.3 结果与讨论
3.3.1 碳纤维布的热重分析
3.3.2 碳纤维布在中性环境下的电化学性能分析
3.3.3 碳纤维布在碱性环境下的电化学性能分析
3.4 本章小结
第四章 柔性δ-MnO_2@CNT/CNT对称超级电容器的制备及其性能研究
4.1 前言
4.2 实验部分
4.2.1 化学气相沉积法(CVD)制备碳纳米管(CNT)
4.2.2 水浴法制备碳纳米管基MnO_2复合物δ-MnO_2@CNT
4.2.3 制备柔性自支撑电极δ-MnO_2@CNT/CNT以及对称超级电容器
4.3 结果与讨论
4.3.1 δ-MnO_2@CNT的物相和形貌表征
4.3.2 δ-MnO_2@CNT的电化学性能分析
4.3.3 无金属集流体的自支撑柔性δ-MnO_2@CNT/CNT薄膜电极及其对称超级电容器的电化学性能分析
4.4 本章小结
第五章 柔性NiCo_2O_4@CNT/CNT//ACC非对称超级电容器的制备及其性能研究
5.1 前言
5.2 实验部分
5.2.1 复合物NiCo_2O_4@CNT的制备
5.2.2 制备柔性自支撑电极NiCo_2O_4@CNT/CNT以及柔性非对称超级电容器
5.3 结果与讨论
5.3.1 NiCo_2O_4@CNT的物相和形貌表征
5.3.2 CNT,NiCo_2O_4,NiCo_2O_4@CNT及其前驱体的热重分析
5.3.3 NiCo_2O_4@CNT的电化学性能分析
5.3.4 无金属集流体的柔性自支撑NiCo_2O_4@CNT/CNT薄膜电极的电化学性能分析
5.3.5 柔性自支撑非对称超级电容器NiCo_2O_4@CNT/CNT//CFC的电化学性能分析
5.4 本章小结
第六章 NiCo_2S_4超级电容器正极的制备以及非对称超级电容器的组装
6.1 前言
6.2 实验部分
6.2.1 碳纳米管基NiCo_2S_4复合物NiCo_2S_4@CNT的制备
6.2.2 制备柔性自支撑电极NiCo_2S_4@CNT/CNT及柔性非对称超级电容器
6.3 结果与讨论
6.3.1 NiCo_2O_4@CNT的物相和形貌表征
6.3.2 NiCo_2S_4@CNT复合物粉末以及无金属集流体的柔性自支撑薄膜电极的电化学性能表征
6.3.3 柔性自支撑非对称超级电容器NiCo_2S_4@CNT/CNT//ACC的电化学性能分析
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性超级电容器电极材料与器件研究进展[J]. 叶星柯,周乾隆,万中全,贾春阳. 化学通报. 2017(01)
[2]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
[3]柔性电化学储能器件研究进展[J]. 刘冠伟,张亦弛,慈松,余占清,曾嵘. 储能科学与技术. 2017(01)
[4]活性碳纤维的应用现状及建议[J]. 高磊. 合成纤维. 2016(12)
[5]超级电容器的应用[J]. 陈雪丹,陈硕翼,乔志军,傅冠生,阮殿波. 储能科学与技术. 2016(06)
[6]超级电容器的应用现状及发展趋势[J]. 王钊,赵智博,关士友. 江苏科技信息. 2016(27)
[7]非对称超级电容器负极材料研究进展[J]. 程昕予,于明浩,卢锡洪. 新能源进展. 2016(04)
[8]匹配多孔碳负载π共轭聚合物正负电极材料构建有机非对称超级电容器[J]. 张涛,王文强,王庚超. 储能科学与技术. 2016(04)
[9]碳基三维自支撑超级电容器电极材料研究进展[J]. 何水剑,陈卫. 电化学. 2015(06)
[10]超级电容器及其在新能源领域的应用[J]. 王超,苏伟,钟国彬,魏增福,徐凯琪. 广东电力. 2015(12)
博士论文
[1]新型赝电容材料的制备及其在柔性超级电容器中的应用[D]. 张一洲.南京邮电大学 2016
[2]柔性超级电容器关键技术研究[D]. 于一榛.华东师范大学 2017
[3]碳纳米材料基全固态可拉伸超级电容器的设计及性能研究[D]. 于佳立.哈尔滨工业大学 2017
[4]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
[5]碳沉积包覆赝电容纳米材料阵列制备、生长机理及超级电容器性能的研究[D]. 汪海.华中师范大学 2016
[6]二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料制备及电化学性能[D]. 魏冰.哈尔滨工业大学 2016
[7]过渡金属硫化物中空纳米结构及其阵列的赝电容特性[D]. 万厚钊.华中科技大学 2015
[8]3D石墨烯基复合电极柔性超级电容器的设计、制备和组装[D]. 陈万军.兰州大学 2014
[9]锰/钴氧化物超级电容电极材料的制备和性能研究[D]. 程爽.兰州大学 2012
[10]电化学电容器电极材料的制备及其电容性能研究[D]. 樊桢.湖南大学 2008
硕士论文
[1]碳布自支撑电极的制备及电化学性能研究[D]. 高苏宁.苏州大学 2016
[2]锰(钼)氧化物基柔性全固态超级电容器的设计及性能研究[D]. 吴凌霞.华中师范大学 2015
[3]碳纳米管负载钴、镍硫化物催化剂电解水析氧的研究[D]. 李钟平.华南理工大学 2014
本文编号：3675200
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景(引言)
1.2 超级电容器简介
1.2.1 超级电容器的结构和组成
1.2.2 超级电容器的储能机理及分类
1.2.2.1 双电层电容
1.2.2.2 赝电容
1.2.2.3 混合型电容
1.2.3 超级电容器电极材料
1.2.3.1 碳材料
1.2.3.2 金属化合物
1.2.3.3 导电聚合物
1.3 柔性超级电容器简介
1.3.1 金属集流体底柔性超级电容器
1.3.2 碳基柔性超级电容器
1.4 超级电容器特点及应用
1.4.1 超级电容器的特点
1.4.2 超级电容器的应用
1.5 本论文的选题目的及主要研究内容
第二章 实验材料与测试方法
2.1 实验材料
2.2 实验仪器及规格
2.3 材料表征
2.3.1 扫描电子显微镜
2.3.2 透射电子显微镜
2.3.3 X射线衍射仪
2.3.4 拉曼光谱
2.3.5 比表面仪
2.3.6 热重分析
2.3.7 X射线光电子能谱
2.3.8 傅里叶变换红外光谱仪
2.4 电化学性能测试及相关计算
2.4.1 三电极体系样品的制备
2.4.2 纽扣电池的装配
2.4.3 柔性薄膜电池的装配
2.4.4 循环伏安(CV)
2.4.5 交流阻抗(EIS)
2.4.6 恒流充放电测试
2.4.7 循环稳定性测试
2.4.8 倍率性能测试
2.4.9 能量密度和功率密度
第三章 柔性碳布的活化及其性能的研究
3.1 前言
3.2 实验部分
3.3 结果与讨论
3.3.1 碳纤维布的热重分析
3.3.2 碳纤维布在中性环境下的电化学性能分析
3.3.3 碳纤维布在碱性环境下的电化学性能分析
3.4 本章小结
第四章 柔性δ-MnO_2@CNT/CNT对称超级电容器的制备及其性能研究
4.1 前言
4.2 实验部分
4.2.1 化学气相沉积法(CVD)制备碳纳米管(CNT)
4.2.2 水浴法制备碳纳米管基MnO_2复合物δ-MnO_2@CNT
4.2.3 制备柔性自支撑电极δ-MnO_2@CNT/CNT以及对称超级电容器
4.3 结果与讨论
4.3.1 δ-MnO_2@CNT的物相和形貌表征
4.3.2 δ-MnO_2@CNT的电化学性能分析
4.3.3 无金属集流体的自支撑柔性δ-MnO_2@CNT/CNT薄膜电极及其对称超级电容器的电化学性能分析
4.4 本章小结
第五章 柔性NiCo_2O_4@CNT/CNT//ACC非对称超级电容器的制备及其性能研究
5.1 前言
5.2 实验部分
5.2.1 复合物NiCo_2O_4@CNT的制备
5.2.2 制备柔性自支撑电极NiCo_2O_4@CNT/CNT以及柔性非对称超级电容器
5.3 结果与讨论
5.3.1 NiCo_2O_4@CNT的物相和形貌表征
5.3.2 CNT,NiCo_2O_4,NiCo_2O_4@CNT及其前驱体的热重分析
5.3.3 NiCo_2O_4@CNT的电化学性能分析
5.3.4 无金属集流体的柔性自支撑NiCo_2O_4@CNT/CNT薄膜电极的电化学性能分析
5.3.5 柔性自支撑非对称超级电容器NiCo_2O_4@CNT/CNT//CFC的电化学性能分析
5.4 本章小结
第六章 NiCo_2S_4超级电容器正极的制备以及非对称超级电容器的组装
6.1 前言
6.2 实验部分
6.2.1 碳纳米管基NiCo_2S_4复合物NiCo_2S_4@CNT的制备
6.2.2 制备柔性自支撑电极NiCo_2S_4@CNT/CNT及柔性非对称超级电容器
6.3 结果与讨论
6.3.1 NiCo_2O_4@CNT的物相和形貌表征
6.3.2 NiCo_2S_4@CNT复合物粉末以及无金属集流体的柔性自支撑薄膜电极的电化学性能表征
6.3.3 柔性自支撑非对称超级电容器NiCo_2S_4@CNT/CNT//ACC的电化学性能分析
6.4 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性超级电容器电极材料与器件研究进展[J]. 叶星柯,周乾隆,万中全,贾春阳. 化学通报. 2017(01)
[2]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
[3]柔性电化学储能器件研究进展[J]. 刘冠伟,张亦弛,慈松,余占清,曾嵘. 储能科学与技术. 2017(01)
[4]活性碳纤维的应用现状及建议[J]. 高磊. 合成纤维. 2016(12)
[5]超级电容器的应用[J]. 陈雪丹,陈硕翼,乔志军,傅冠生,阮殿波. 储能科学与技术. 2016(06)
[6]超级电容器的应用现状及发展趋势[J]. 王钊,赵智博,关士友. 江苏科技信息. 2016(27)
[7]非对称超级电容器负极材料研究进展[J]. 程昕予,于明浩,卢锡洪. 新能源进展. 2016(04)
[8]匹配多孔碳负载π共轭聚合物正负电极材料构建有机非对称超级电容器[J]. 张涛,王文强,王庚超. 储能科学与技术. 2016(04)
[9]碳基三维自支撑超级电容器电极材料研究进展[J]. 何水剑,陈卫. 电化学. 2015(06)
[10]超级电容器及其在新能源领域的应用[J]. 王超,苏伟,钟国彬,魏增福,徐凯琪. 广东电力. 2015(12)
博士论文
[1]新型赝电容材料的制备及其在柔性超级电容器中的应用[D]. 张一洲.南京邮电大学 2016
[2]柔性超级电容器关键技术研究[D]. 于一榛.华东师范大学 2017
[3]碳纳米材料基全固态可拉伸超级电容器的设计及性能研究[D]. 于佳立.哈尔滨工业大学 2017
[4]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
[5]碳沉积包覆赝电容纳米材料阵列制备、生长机理及超级电容器性能的研究[D]. 汪海.华中师范大学 2016
[6]二氧化锰/三维结构石墨烯电极材料制备及电化学性能[D]. 魏冰.哈尔滨工业大学 2016
[7]过渡金属硫化物中空纳米结构及其阵列的赝电容特性[D]. 万厚钊.华中科技大学 2015
[8]3D石墨烯基复合电极柔性超级电容器的设计、制备和组装[D]. 陈万军.兰州大学 2014
[9]锰/钴氧化物超级电容电极材料的制备和性能研究[D]. 程爽.兰州大学 2012
[10]电化学电容器电极材料的制备及其电容性能研究[D]. 樊桢.湖南大学 2008
硕士论文
[1]碳布自支撑电极的制备及电化学性能研究[D]. 高苏宁.苏州大学 2016
[2]锰(钼)氧化物基柔性全固态超级电容器的设计及性能研究[D]. 吴凌霞.华中师范大学 2015
[3]碳纳米管负载钴、镍硫化物催化剂电解水析氧的研究[D]. 李钟平.华南理工大学 2014
本文编号：3675200
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