基于导电聚合物凝胶的电极材料构筑与性能研究
发布时间：2021-03-06 08:19
超级电容器作为连接传统介电电容器和电池的储能器件,以其高功率密度和长循环寿命备受关注。然而,与锂电池等相比,相对较低的能量密度限制着其进一步应用。电极材料作为超级电容器的核心组件,其电容性能的提升将有助于超级电容器能量密度的提高。诸多策略已被应用于提升电极材料电容性能,但仍受制于电极材料缺乏连续的电子传递网络和离子扩散通道,以及电极材料与电解质接触不充分等问题,使得实际比电容与其理论值仍有较大差距。导电聚合物凝胶具有三维网络结构,可以与电解质实现在分子层次上的接触,因此在改善电极材料/电解质固液界面,构筑连续电子/离子传输路径等方面具有显著优势。本文从电极材料的结构设计出发,首先展示了如何借助导电聚合物凝胶独特的固液界面和三维连续网络结构,赋予电极材料快速的电子传递和离子传输能力,提升电极材料的电容性能;进一步,提出导电聚合物凝胶的新型制备路线,制备出具有优异储能能力的自支撑导电聚合物凝胶,以提升导电聚合物凝胶本身作为电极材料的电化学性能,并促进在其他电极材料性能提升的进一步应用。具体研究内容与结果如下:（1）在α-Fe2O3和苯胺/植酸的均...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)不同电化学储能系统的能量和功率密度对比图[10]；(b)不同电极材料的比电容值[22]；(c)非对称超级电容器示意图(由两个具有不同电压窗口的电极组成：电池类正极和电容类负极)[23]；(d)不同电极材料的电压窗口[22]
第一章绪论5与电极材料间的接触电阻尽可能小；(ii)稳定性：不能与电解质、电极材料、导电剂、粘结剂等发生反应。此外，集流体的形貌对于超级电容器的性能也具有重要影响[31,32]。例如，具有纳米孔结构的集流体可以极大地提升离子扩散速率，增大电极材料可与之接触的比表面，进而增强超级电容器的储能能力[11,32]。目前常用的集流体有铜箔、铝箔、钛箔、不锈钢、泡沫镍、碳纸、碳布等。此外，目前报道的可作为电极材料的部分三维导电网络也可直接作为集流体，进一步提升超级电容器的性能。简言之，随着电极研究的深入，电极材料、导电剂、粘结剂和集流体间的界限变得越来越模糊，导电剂、粘结剂、集流体等非活性组分均被赋予电极材料的功能或被电极材料所取代，从而进一步提高电极的储能能力，促进器件的集成化、便携化。图1-3(a)超级电容器基本结构示意图[21]；(b)随机分散的导电剂示意图[24]；(c)电极材料团聚体中电子传递阻断示意图[25]；(d)电极材料与导电子组分的紧密结合[24]；(e)均匀负载电极材料的三维导电网络[33]；(f)电化学循环后的电极结构[34]Figure1-3(a)Structuraldiagramofatypicalsupercapacitordevice[21].(b)Traditionalelectrodesrelyonarandomarrangementofcontactsandmayresultinpartsofelectrodesnotbeingaccessible[24].(c)Theimpededelectrontransferinmicrometer-sizedagglomerates[25].(d)Intimate“wiring”oftheactiveelectrodeparticleswiththeelectronicconductingcomponent[24].(e)Theuniformloadingofactiveelectrodematerialsonto3Dconductiveframework[33].(f)Thedestructionofelectrodeintegrityuponelectrochemicalcycling[34].cdefab
第一章绪论7图1-4(a)电解质对超级电容器性能的影响[14]；(b)电解质的分类[14]；(c)可拉伸/可压缩超级电容器[35]；(d)热保护功能超级电容器[36]；(e)自修复超级电容器[37]Figure1-4(a)Effectsoftheelectrolyteonsupercapacitorperformance[14].(b)Classificationofelectrolytesforsupercapacitor[14].(c)Schematicofanintrinsicallystretchablesupercapacitorandacompressiblesupercapacitor[35].(d)Demonstrationofthermalself-protectionofthesupercapacitorusingPluronicsolutionbasedelectrolyte:thelightintensityoftheLEDbulbdecreasedsignificantlyuponheatingthedeviceto70°C[36].(e)Demonstrationofself-healabilityofthesupercapacitor[37].1.2.2超级电容器的储能机理超级电容器的储能机理与传统的介电电容器不同。传统的介电电容器是通过介电材料在电场的作用下发生物理极化来储能的，而超级电容器是利用电解质中的阴阳离子在电极材料表面可逆吸附形成双电层，或在电极材料表面/近表面发生快速、可逆的法拉第氧化还原反应来进行储能：即双电层电容储能机理和赝电容储能机理(图1-5a)[10,42]。赝电容通常表现出比双电层电容更高的容量(图1-5b，300-1000Fg-1vs.100-250Fg-1)。因此，赝电容电极材料在制备具有高能量密度的超级电容器上具有天然的优势。但受限于法拉第氧化还原反应中的电荷转移/离子迁移速度，赝电容电极材料组装制得的超级电容bcdea
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器隔膜及其研究进展[J]. 林旷野,刘文,陈雪峰. 中国造纸. 2018(12)
[2]Core-shell nanostructure of single-wall carbon nanotubes and covalent organic frameworks for supercapacitors[J]. Yang Han,Qin Zhang,Nantao Hu,Xue Zhang,Yiyong Mai,Jiaqiang Liu,Xiaolin Hua,Hao Wei. Chinese Chemical Letters. 2017(12)
[3]Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors:from rational synthesis to capacitance optimization[J]. Jie Wang,Shengyang Dong,Bing Ding,Ya Wang,Xiaodong Hao,Hui Dou,Yongyao Xia,Xiaogang Zhang. National Science Review. 2017(01)
[4]基于导电聚合物水凝胶材料的高性能柔性固态超级电容器（英文）[J]. 王凯,张熊,孙现众,马衍伟. Science China Materials. 2016(06)
[5]新能源电力系统中的储能技术研究综述[J]. 丛晶,宋坤,鲁海威,高晓峰,肖白. 电工电能新技术. 2014(03)
[6]储能技术在电力系统中的研究进展[J]. 骆妮,李建林. 电网与清洁能源. 2012(02)
博士论文
[1]新型掺杂多孔碳材料的合成、调控及其电化学性能[D]. 冯小童.兰州大学 2019
[2]高性能氮化钒基纳米电极材料的设计及储能性能研究[D]. 李庆伟.华中科技大学 2018
[3]多孔电极材料的构筑及其在超级电容器中的研究与应用[D]. 胡晨晨.华中科技大学 2017
[4]电化学聚合制备基于导电聚合物的高能量密度超级电容器电极与器件[D]. 张环环.吉林大学 2017
[5]过渡金属氧化物的结构设计与改性及其赝电容储能特性研究[D]. 肖旭.华中科技大学 2016
[6]二维共价有机框架结构的合成和性能研究[D]. 陈龙.北京理工大学 2015
本文编号：3066751
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：116 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)不同电化学储能系统的能量和功率密度对比图[10]；(b)不同电极材料的比电容值[22]；(c)非对称超级电容器示意图(由两个具有不同电压窗口的电极组成：电池类正极和电容类负极)[23]；(d)不同电极材料的电压窗口[22]
第一章绪论5与电极材料间的接触电阻尽可能小；(ii)稳定性：不能与电解质、电极材料、导电剂、粘结剂等发生反应。此外，集流体的形貌对于超级电容器的性能也具有重要影响[31,32]。例如，具有纳米孔结构的集流体可以极大地提升离子扩散速率，增大电极材料可与之接触的比表面，进而增强超级电容器的储能能力[11,32]。目前常用的集流体有铜箔、铝箔、钛箔、不锈钢、泡沫镍、碳纸、碳布等。此外，目前报道的可作为电极材料的部分三维导电网络也可直接作为集流体，进一步提升超级电容器的性能。简言之，随着电极研究的深入，电极材料、导电剂、粘结剂和集流体间的界限变得越来越模糊，导电剂、粘结剂、集流体等非活性组分均被赋予电极材料的功能或被电极材料所取代，从而进一步提高电极的储能能力，促进器件的集成化、便携化。图1-3(a)超级电容器基本结构示意图[21]；(b)随机分散的导电剂示意图[24]；(c)电极材料团聚体中电子传递阻断示意图[25]；(d)电极材料与导电子组分的紧密结合[24]；(e)均匀负载电极材料的三维导电网络[33]；(f)电化学循环后的电极结构[34]Figure1-3(a)Structuraldiagramofatypicalsupercapacitordevice[21].(b)Traditionalelectrodesrelyonarandomarrangementofcontactsandmayresultinpartsofelectrodesnotbeingaccessible[24].(c)Theimpededelectrontransferinmicrometer-sizedagglomerates[25].(d)Intimate“wiring”oftheactiveelectrodeparticleswiththeelectronicconductingcomponent[24].(e)Theuniformloadingofactiveelectrodematerialsonto3Dconductiveframework[33].(f)Thedestructionofelectrodeintegrityuponelectrochemicalcycling[34].cdefab
第一章绪论7图1-4(a)电解质对超级电容器性能的影响[14]；(b)电解质的分类[14]；(c)可拉伸/可压缩超级电容器[35]；(d)热保护功能超级电容器[36]；(e)自修复超级电容器[37]Figure1-4(a)Effectsoftheelectrolyteonsupercapacitorperformance[14].(b)Classificationofelectrolytesforsupercapacitor[14].(c)Schematicofanintrinsicallystretchablesupercapacitorandacompressiblesupercapacitor[35].(d)Demonstrationofthermalself-protectionofthesupercapacitorusingPluronicsolutionbasedelectrolyte:thelightintensityoftheLEDbulbdecreasedsignificantlyuponheatingthedeviceto70°C[36].(e)Demonstrationofself-healabilityofthesupercapacitor[37].1.2.2超级电容器的储能机理超级电容器的储能机理与传统的介电电容器不同。传统的介电电容器是通过介电材料在电场的作用下发生物理极化来储能的，而超级电容器是利用电解质中的阴阳离子在电极材料表面可逆吸附形成双电层，或在电极材料表面/近表面发生快速、可逆的法拉第氧化还原反应来进行储能：即双电层电容储能机理和赝电容储能机理(图1-5a)[10,42]。赝电容通常表现出比双电层电容更高的容量(图1-5b，300-1000Fg-1vs.100-250Fg-1)。因此，赝电容电极材料在制备具有高能量密度的超级电容器上具有天然的优势。但受限于法拉第氧化还原反应中的电荷转移/离子迁移速度，赝电容电极材料组装制得的超级电容bcdea
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器隔膜及其研究进展[J]. 林旷野,刘文,陈雪峰. 中国造纸. 2018(12)
[2]Core-shell nanostructure of single-wall carbon nanotubes and covalent organic frameworks for supercapacitors[J]. Yang Han,Qin Zhang,Nantao Hu,Xue Zhang,Yiyong Mai,Jiaqiang Liu,Xiaolin Hua,Hao Wei. Chinese Chemical Letters. 2017(12)
[3]Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors:from rational synthesis to capacitance optimization[J]. Jie Wang,Shengyang Dong,Bing Ding,Ya Wang,Xiaodong Hao,Hui Dou,Yongyao Xia,Xiaogang Zhang. National Science Review. 2017(01)
[4]基于导电聚合物水凝胶材料的高性能柔性固态超级电容器（英文）[J]. 王凯,张熊,孙现众,马衍伟. Science China Materials. 2016(06)
[5]新能源电力系统中的储能技术研究综述[J]. 丛晶,宋坤,鲁海威,高晓峰,肖白. 电工电能新技术. 2014(03)
[6]储能技术在电力系统中的研究进展[J]. 骆妮,李建林. 电网与清洁能源. 2012(02)
博士论文
[1]新型掺杂多孔碳材料的合成、调控及其电化学性能[D]. 冯小童.兰州大学 2019
[2]高性能氮化钒基纳米电极材料的设计及储能性能研究[D]. 李庆伟.华中科技大学 2018
[3]多孔电极材料的构筑及其在超级电容器中的研究与应用[D]. 胡晨晨.华中科技大学 2017
[4]电化学聚合制备基于导电聚合物的高能量密度超级电容器电极与器件[D]. 张环环.吉林大学 2017
[5]过渡金属氧化物的结构设计与改性及其赝电容储能特性研究[D]. 肖旭.华中科技大学 2016
[6]二维共价有机框架结构的合成和性能研究[D]. 陈龙.北京理工大学 2015
本文编号：3066751
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