锂离子超级电容器的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-03-22 10:08

  本文关键词：锂离子超级电容器的制备及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子超级电容器是一种新型的超级电容器,兼具比普通超级电容器更高的能量密度和比锂离子电池更高的功率密度,具有广泛的应用前景。本文以全面提升超级电容器的能量密度为目标,制备了两种不同体系的锂离子超级电容器,包括LiMn_2O_4/活性炭(AC)锂离子超级电容器和AC/嵌锂石墨(PG)锂离子超级电容器,期望通过对电极材料的形貌控制、嵌锂方式及电容器的结构设计优化,制备兼具高能量密度和长循环寿命的锂离子超级电容器。(1)对于LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器体系,我们首先通过水热法合成β-MnO_2,以β-MnO_2为前驱体高温固相法合成LiMn_2O_4。采用SEM、XRD等手段分析了电极材料的结构和形貌,LiMn_2O_4呈棒状,直径大约为363nm,长度2.3μm。以LiMn_2O_4微米棒(LMO-MRS)为正极和AC为负级,组装正负极不同质量比的LMO-MRS/AC锂离子超级电容器,并对其进行恒电流充放电、循环伏安法和交流阻抗等测试。结果表明:当m(LMO-MRS)/m(AC)=0.50时,电容器的倍率性能最好,在2C的电流密度下放电比容量可达35.85F/g,其能量密度为33.16Wh/kg,可达到传统有机系AC/AC双电层电容器的2倍;(2)为了进一步地提高锂离子超级电容的能量密度,我们制备了AC/PG锂离子超级电容器体系。以活性炭作正极、PG作负极制备了扣式AC/PG锂离子超级电容器,通过对石墨负极进行预嵌锂来提高电容器的开路电压。电化学测试结果表明,锂离子超级电容器具有良好的电容特性,与双电层电容器相比,电容器的电位从2.5V提高到3.8V。在50mA/g电流密度下,锂离子超级电容器的能量密度是双电层电容器的3.16倍。在200mA/g电流密度下循环2000次,放电容量仅衰减了2.0%,具有良好的循环性能。(3)以活性碳为正极、石墨为负极,采用铝塑膜为外壳,通过化学嵌锂的方法制备了标称容量250F的锂离子超级电容器。锂离子超级电容器开位电压为3.8V,比传统超级电容器高大约1V,能量密度能够达到18.21Wh/Kg,约为传统超级电容器的4倍。电容器在150C的电流密度下放电后容量保持率在85%以上。循环10000次,其放电容量保持率超过98%,能顺利的通过过充、挤压针刺等安全性能测试。
【关键词】：锂离子超级电容器 能量密度 循环性能 LiMn_2O_4微米棒(LMO-MRS) 预嵌锂石墨(PG)
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 超级电容器的工作原理11-14
• 1.2.1 双电层电容器的工作原理12-13
• 1.2.2 法拉第赝电容器的工作原理13-14
• 1.3 超级电容器的电极材料14-16
• 1.4 超级电容器的发展趋势16-18
• 1.5 锂离子超级电容器的研究进展18-24
• 1.5.1 LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器的工作原理18-20
• 1.5.2 AC/PG锂离子超级电容器的工作原理20-21
• 1.5.3 锂离子超级电容器的发展趋势21-22
• 1.5.4 锂离子超级电容器的应用领域22-24
• 1.6 本论文的选题依据及主要研究内容24-25
• 1.6.1 选题依据24
• 1.6.2 主要研究内容24-25
• 第2章 实验部分25-39
• 2.1 主要原料与仪器设备25-28
• 2.1.1 主要实验原材料与化学试剂25-26
• 2.1.2 主要实验仪器和设备26-28
• 2.2 LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器的制备28-32
• 2.2.1 LiMn_2O_4材料的制备过程28
• 2.2.2 LiMn_2O_4材料的物理性能测试28-29
• 2.2.3 电极片的制备29
• 2.2.4 LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器的组装29-30
• 2.2.5 LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器电化学性能测试30-32
• 2.3 AC/PG锂离子超级电容器的制备32-33
• 2.3.1 电极片的制备32-33
• 2.3.2 AC/PG锂离子超级电容器的组装33
• 2.3.3 AC/PG锂离子超级电容器的电化学性能测试33
• 2.4 软包AC/PG锂离子超级电容器的制备33-39
• 2.4.1 电极片的制备33-37
• 2.4.2 软包AC/PG锂离子超级电容器电芯的制备37-38
• 2.4.3 软包AC/PG锂离子超级电容器的电化学性能测试38-39
• 第三章 LiMn_2O_4/AC锂离子超级电容器的电化学性能39-50
• 3.1 引言39-40
• 3.2 结果与讨论40-48
• 3.2.1 β-MnO_2和LMO-MRS的结构表征40-41
• 3.2.2 β-MnO_2和LMO-MRS的形貌表征41-42
• 3.2.3 LMO-MRS/AC锂离子超级电容器的恒电流充放电测试42-44
• 3.2.4 LMO-MRS/AC锂离子超级电容器的倍率性能测试44-45
• 3.2.5 LMO-MRS/AC锂离子超级电容器的循环性能测试45-47
• 3.2.6 LMO-MRS/AC锂离子超级电容器的功率密度和能量密度.373.3本章小结47-48
• 3.3 本章小结48-50
• 第四章 预嵌锂石墨负极锂离子超级电容器的电化学性能50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 结果与讨论50-59
• 4.2.1 预嵌锂石墨负极的锂离子电容器的充放电机理50-51
• 4.2.2 石墨负极的预嵌锂过程51-52
• 4.2.3 锂离子超级电容器的恒电流充放电测试52-54
• 4.2.4 锂离子超级电容器的倍率性能测试54-55
• 4.2.5 锂离子超级电容器的循环性能测试55-56
• 4.2.6 锂离子超级电容器的循环伏安测试56-57
• 4.2.7 锂离子超级电容器的交流阻抗测试57-58
• 4.2.8 锂离子超级电容器与碳基有机系双电层电容器性能对比.484.3本章小结58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 250F软包装锂离子超级电容器的制备与性能60-71
• 5.1 引言60
• 5.2 锂离子超级电容器的电化学性能表征60-69
• 5.2.1 锂离子超级电容器的电芯结构60-62
• 5.2.2 锂离子超级电容器的外观设计62
• 5.2.3 锂离子超级电容器的恒电流充放电测试62-64
• 5.2.4 锂离子超级电容器的倍率性能测试64-65
• 5.2.5 锂离子超级电容器的循环性能测试65-66
• 5.2.6 锂离子超级电容器的循环伏安测试66-67
• 5.2.7 锂离子超级电容器的交流阻抗测试67-68
• 5.2.8 锂离子超级电容器的安全性能测试68-69
• 5.3 本章小结69-71
• 第六章 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-82
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果82

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