基于碳基过渡金属氧化物复合材料的超级电容器研究

发布时间：2020-05-20 10:19

【摘要】：超级电容器作为一种介于传统可充锂离子电池和静电电容器之间的高效电化学储能器件,因具有长循环寿命,快速充放电能力,高功率密度以及环境友好等诸多特点,在航空航天、能源化工、电子设备等应用领域中受到广泛关注。目前,混合型超级电容器作为一种新型电荷存储器件展示了很大的发展潜力,它不仅可以以电化学双层材料为动力源,而且可以以电池型/赝电容器材料为能量源,能同时提高功率和能量密度,来满足实际应用需要。因此本论文根据过渡金属氧化物与多孔碳的电化学协同作用的优势,制备出几种过渡金属氧化物与多孔碳复合材料用作超级电容器电极材料,表现出优良的电化学性能,具体内容如下:1.采用化学还原法制备了蜂窝状结构的Co-W-B氧化物复合材料。电化学测试表明,Co-W-B复合材料在电流密度为2 A g~(-1)时,比电容为306.3 F g~(-1)。经过2500次循环后,电容仍保持在初始电容的89.2%。该工作采用简单的方法制备了特殊形貌的Co-W-B氧化物复合材料,具有高的比表面积和优异的电化学性能,在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景。2.以浸渍了Ni~(2+)和Co~(2+)离子的ZIF-8为前驱体,通过热解法制备了负载高度分散的CoO-NiO纳米颗粒的ZIF-8多孔碳复合材料(CoO-NiO@ZIF-C)。在电流密度为1 A g~(-1)时,CoO-NiO@ZIF-C的比电容为552.3 F g~(-1)。以还原氧化石墨烯为负极,CoO-NiO@ZIF-C为正极,组装的非对称超级电容器的最大能量密度为43.5 Wh kg~(-1),功率密度为1892.1 W kg~(-1),并且表现出良好的循环稳定性。3.提出了一种制备Co-Ni氧化物高度分散三维类石墨烯碳纳米片(CoO-NiO/3DG)的新方法。将Co和Ni离子首先与生物聚合物形成络合物,随后进行碳化和低温氧化,制备出碳纳米材料与金属氧化物复合材料。所制备样品表现出独特的结构,在1 A g~(-1)的电流密度下提供1586 F g~(-1)的比电容,10000次循环后的电容保持率为94.5%。通过DFT计算证实,由于CoO和NiO之间的协同耦合作用,材料表现出优异的电化学性能。4.在柔性碳纤维上生长出规整排列的二氧化钼和氮掺杂碳复合材料(MoO_2@NC)和铜钴硫化物(CuCo_2S_4)管状纳米结构材料。由MoO_2@NC作为负极和CuCo_2S_4作为正极组装成的柔性准固态非对称超级电容器器件在800 W kg~(-1)的功率密度下实现65.1 Wh kg~(-1)的超高能量密度。在5,000次循环后具有90.6%的电容保持率,2,000次弯曲循环后,容量保持率为92.2%。该研究为开发具有优异电化学性能的柔性超级电容器电极材料提供了一种新策略。
【图文】：

电能存储,能量性能,放电时间,能量密度

基于碳基过渡金属氧化物复合材料的超级电容器研究2图1-1 在不同的电能存储技术中的功率和能量性能（图中显示的时间是放电时间，通过能量密度除以功率密度得到[4]）表面处理降低了集电极/活性材料界面处的接触电阻。对于使用有机电解液的超级电容器，使用处理过的铝箔或者栅极作为集电器。使用具有增加接触面积的纳米结构集电器是控制集电器/活性材料界面的一种方式。广泛使用的测量是比电容，以 Fg-1表示电极材料的固有电容。比电容在一定程度上代表着材料性能的优良，但是它不一定能够决定电容的大小。还有其它因素会影响电容，例如电导率（材料和电极粒子之间的电导率），它控制电子和离子转移到材料中[15]。工作温度范围是另一个需要指出的特征，使用超级电容器可以实现低至 40oC 的高功率性能[16]

示意图,电荷存储,电容,机制

和额外的赝电容结合而实现的。因此，，超级电容器甚至可以为每个器件存储数千法拉，远高于传统静电电容器存储的微法或毫法拉。图1-2 （a-d）EDLC和不同类型的赝电容电极的电荷存储机制示意图[4]与电池相比，超级电容器可以在几秒或几分钟的时间内提供快速的充电和放电速率。除了高功率密度外，超级电容器还具有一些优于电池的特点，例如高操作安全性，长循环寿命，高效率和高性能稳定性。将超级电容器与电池区分开来的另一个主要电化学特征是，在恒定电流充电时（或放电时减小）总是存在线性电压增加。超级电容器的 CV 曲线应保持矩形，而在充电/放电过程中电流几乎恒定。另一方面，电池显示突出和分离的峰位，具有显著的法拉第反应。超级电容器的恒电流充电/放电（GCD）曲线呈现具有恒定斜率值的倾斜形状。相比之下
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB33

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