高能量密度电极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2020-11-16 23:51

　　 随着全球经济的迅速发展,化石燃料的短缺和日益恶化的环境污染已成为人类的威胁。因此,大力开发新型绿色能源(如太阳能、风能、地热能、潮汐能等)及其应用技术备受广泛关注,也必将成为减少环境污染、实现可持续发展的重要举措。然而,这些能源的间歇性和低存储效率特征,使得高效电能存储技术的发展变得迫切。在各种电化学能量储存装置中,可充电电池是现代社会不可或缺的一部分,可在多种应用中按需提供电能。特别是锂离子电池在便携式电子设备上取得了巨大的商业成功,并开始进入电动汽车和混合动力汽车市场。不幸的是,它们的安全缺陷和低能量密度阻碍了其在汽车行业的大规模应用。超级电容器具有很高的功率密度,可以根据需要以满足不同电子设备的需求而弥补电池的局限性。从储能机理的角度来说,超级电容器可分为:(1)双电层电容器(EDLCs);(2)法拉第赝电容器(pseudocapacitors)。伴随着电化学技术的迅速发展,又出现了混合型超级电容器。超级电容器的电化学性能与电极材料的设计密切相关,因此研究人员的重点是开发超级电容器的电极材料,即在高功率密度的前提下获得高能量密度的电极材料。本论文主要讨论了超级电容器的电极材料,并对其特性和电化学性能进行了研究,研究结果包括以下三个部分:(1)制备表面改性的二维Ti_2CT_x正极材料,经尿素处理后,其比表面积高达41.92 m~2 g~(-1)。在1 A g~(-1)的电流密度下充放电循环10000次后,比电容仍为267.2 F g~(-1),高于未掺杂的Ti_2CT_x(119 F g~(-1))。组装的AC//N-掺杂TiO_2@Ti_2CT_x纳米混合物混合储能装置,能量密度高达27.61 Wh kg~(-1)。以上结果表明,掺杂后的Ti_2CT_x具有优异的循环稳定性和可逆性,在超级电容器市场上具有很大的应用前景。(2)采用溶液法获得Ti_2CT_x、Mg-MnO_2和Ti_2CT_x/Mg-MnO_2材料。结果表明,Ti_2CT_x/Mg-MnO_2在电流密度为1 A g~(-1)下充放电循环1000次,比容量仅损失14.8%,表现出优异的电化学性能。此外,组装的AC//Ti_2CT_x/Mg-MnO_2不对称超级电容器在339.95 W kg~(-1)的功率密度下,能量密度高达20.68 Wh kg~(-1),这表明Ti_2CT_x/Mg-MnO_2复合材料在高性能、长寿命储能器件中具有一定的应用价值。(3)对高性能储能材料的需求推动了研究者开发高倍率和高容量的新能源材料。因此我们用温和的方法合成出NiMnO_3,NiMnO_3/Mn_2O_3/NiO和NiMn_2O_4/MnNi_2O_4材料,并研究各自的电化学性能。其中NiMnO_3样品在电流密度为1 A g~(-1)时表现出232.08 F g~(-1)的高比电容,远高于其它样品的比电容(NiMnO_3/Mn_2O_3/NiO为120 F g~(-1),NiMn_2O_4/MnNi_2O_4为54.79 F g~(-1))。此外,NiMnO_3在电流密度为1 A g~(-1)下充放电循环10000次后,电容量保留率仍达92.39%。NiMnO_3作为正极材料、AC作为负极材料,组装成水系混合储能装置,该系统能量密度高达28.71 Wh kg~(-1)。
【学位单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53
【部分图文】：

硕士学位论文容器概述器具有功率密度大、寿命长、充放电速率快(秒为单0 圈)等优点。与电池相比，超级电容器不易受到温度无毒的。超级电容器作为一种重要的储能设备，已合电子器件中[9]。学能源存储系统的性能及其在实际应用中潜力的参 Wh L-1)，功率密度(W kg-1或 W L-1)，比电容(F g-1)命、成本和环境安全性。要清楚地比较功率密度和能 显示了几种典型的电化学储能装置图[10]，从图中可以池是高能量系统，而超级电容器和传统静电电容器是容器有望用于当前稳定化开发且具有高效比表面积构中[11]。

由于其快速且近表面的电化学过程，EDLC 可以提的循环寿命。然而，EDLC 存储的能量受到有限电电解液的稳定电位窗口来确定工作电压。对于 EDL列等式清楚地看出这一点[17]。21E CV2 参数对 EDLC 的性能都至关重要，其中 C 是比容量大程度上取决于电极材料的结构，因此可以通过选如碳基纳米材料)进行优化[18]。另一方面，需要仔细电压最大化。与电位窗口有限的水系电解液(通常为、工作电位窗口宽(达到 3.5–4 V)的有机电解液常用据方程式(1)，在相同电容下，若电压增加三倍，存级。 因此，开发宽电位窗口的新电解液应该比开发

S 设备中用的碳材料，包括锂离子电池，超级电池，太阳能电池和锂空气电池[42, 43].overview of carbon materials used in EES devices,tteries, supercapacitors, lithuium-sulfur batteries, slithuium-air batteries[42, 43].物属氧化物(MO)因其在催化、储能、传感器、电越多的关注[56]。MO 高比表面积、可调孔隙体微观结构和形貌有助于精确成分和控制结构。提高材料的功能性能、有效传质和增加比表面具有协同作用。化物(TMO)作为赝电容电极材料备受关注，如0, 63-66]和 CuO[67]，由于其成本低、价态多变、合
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本文编号：2886809