基于锰氧化物/石墨烯电极的非对称电容器电性能研究
发布时间：2021-03-18 17:15
超级电容器作为一种具有优异的功率密度和循环特性的储能器件,受到了人们的广泛关注。然而传统的对称碳基双电层电容器能量密度低,不能满足日益增长的储能需求。因此,科研工作者设计由一个双电层储能原理的电极材料和一个法拉第储能原理的电极材料组成的非对称电容器。因为正负极不同的储能机理和工作电压,新型储能器件能够具有较宽的电压区间,较为理想的能量密度、功率密度和循环寿命。根据不同的法拉第反应原理,非对称电容器可以被分为发生赝电容反应的非对称超级电容器与发生电池反应的非对称混合离子电容器。在本论文中,具有良好的赝电容特性和储锂特性的锰氧化物被选择作为研究对象,但锰氧化物其本身导电性差,反应体积变化大,所以本文通过将其与石墨烯复合,设计形貌与结构抑制体积变化,并且通过缺陷工程进一步优化性能,之后将其作为电极材料组装两种非对称电容器并研究其电化学性能。（1）利用锰氧化物优秀的储锂性能,将富含氧空位的二氧化锰/还原氧化石墨烯（Ov-MnO2/rGO）复合材料用作锂离子电容器负极。通过化学沉淀和氩气气氛下退火处理,合成了 Ov-MnO2/rGO电极材料,并且通过调节MnO2/GO复合比例与退火处理优化了其在...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２超级电容器的储能机理示意图：（ａ）双电层原理；（ｂ）过电位沉积型，（ｃ）氧化还原??型，（ｄ）离子嵌入型赝电容原理州??
?猛氧化物基非对称电容器电性能研究???非对称电容器的结构示意图如图１．３。??非对称超级电容器?混合离子电容器??双?？赝?．?？?双??电?＊电?￥?．．电??戸?ｈ?。?？?兹池?１１２?°?？?戶??Ｉ’．巧遢：ｆ?１?！??图１．３两种非对称电容器结构示意图Ｍ??非对称超级电容器是由赝电容电极和双电层电容电极的正负极组成［？２５］。充放电过??程中，一极上发生电解液离子参与的快速可逆的赝电容法拉第反应，一极发生电解液离??子的物理脱吸附行为［２６］。赝电容材料的比电容远超过双电层储能的碳材料，能够提高器??件的比电容。并且通过利用正负极各自的电压窗口，通常可以把非对称超级电容的电压??窗口扩大到２Ｖ左右。这样设计的非对称超级电容器相比对称碳材料超级电容器具有更??接近锂离子电池的能量密度。??目前研宄较多，且有希望进一步商业化的混合离子电容器是锂离子电容器Ｍ?２３，?２７］。??锂离子电容器大多是由电容型的碳材料正极和锂离子电池型的负极组成，结合了功率密??度高和能量密度高的共同优点。并且在有机电解液体系中，碳材料正极的工作电压窗口??通常在３－４．５?Ｖ左右，将其和锂离子电池负极组装后，器件的工作电压窗口一般可以达??到３Ｖ以上。锂离子电容器的充放电过程可以表述如下：在充电时，电解质阴离子向正??极移动，正极通过物理吸附储能，Ｕ＋向负极运动，最终嵌入负极储能；放电时，正负极??则分别发生脱附和脱嵌反应，释放储存的能量。这两个电极的充放电过程在不同的电位??范围内进行，可以有效地扩大工作电位窗口，从而提高能量密度。相较赝电容法拉第反??应，电池型法拉第反应过程更加缓慢。正负极
?猛氧化物基非对称电容器电性能研究???颗粒／石墨稀复合材料，并且以ＡＣ为正极，Ｍｎ３〇４／ｇｒａｐｈｅｎｅ为负极，组装了?Ｍｎ３〇４－Ｇ／／ＡＣ??非对称锂离子电容器，其能量密度为１４２?Ｗｈ?ｋｇ－１?［６９］。Ｚｈａｏ通过化学沉积将ＭｎＯ纳米??颗粒沉积在木棉制备的碳纳米片（ＣＮ）上，并以此为负极和ＣＮ正极组装成ＭｎＯ／ＣＮ／／ＣＮ??非对称锂离子电容器，其在８３?Ｗ?ｋｇ－１时具有１００?Ｗ?ｈ?ｋｇ－１的最大能量密度［７Ｑ］。??ＭｎＯ．－ｃａｒｌｗｎ?ｎａｎｏｔｕｂｃ?（Ｃ?Ｎ?１ｈ）?ｃｏｍ（＞ｏｓｉｌｅ?？?，??／Ａ！ｎＯ＾－＜ａｒｌ＞ｏｎ?ｂａｓｅｄ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｄｌｏｒ?＼?：???■ｆ??＇？‘?ｉＢａＸｌ?ＭｎＯ：－ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｆｏａｍ／ａｅｒｏｇｅｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ???又’??麵薦鏖ｎ＿｜??，ｚ?（ＡＡｒａＭｉ?？Ｘｆ?ｌ＊Ｃ，＊ｔｅｅｐｅｉ＊ｉ??图１．?４常见的锰氧化物形貌及锰氧化物和碳材料复合处理示例［５７］??材料的缺陷设计也是改善电极电化学性能的重要手段。材料中常见的缺陷是微观上??的点缺陷，引入了阴离子或阳离子空位可以有效地调节金属氧化物的电子结构，促进表??面氧化还原反应［７１，７２］。此外，空位缺陷可以贡献更多的离子嵌入位点，能够提高电化学??容量ｔ７３］。Ｚｈａｏ等通过对电沉积获得的Ｍｎ０２进行氢化处理，利用ＴＥＭ和ＸＰＳ证明了氧??空位的引入，并且引入氧空位的Ｍｎ〇２在电容器三电极体系下表现出４４９?Ｆｇ－１的比电容??和优异的倍率性能［７４］。Ｚｏｕ等在惰性气氛下对ＭｎＯ进行退火处理，成功地在ＭｎＯ中引??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]非对称型电化学超级电容器的研究进展[J]. 田志宏,赵海雷,李玥,王治峰,仇卫华. 电池. 2006(06)
本文编号：3088657
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２超级电容器的储能机理示意图：（ａ）双电层原理；（ｂ）过电位沉积型，（ｃ）氧化还原??型，（ｄ）离子嵌入型赝电容原理州??
?猛氧化物基非对称电容器电性能研究???非对称电容器的结构示意图如图１．３。??非对称超级电容器?混合离子电容器??双?？赝?．?？?双??电?＊电?￥?．．电??戸?ｈ?。?？?兹池?１１２?°?？?戶??Ｉ’．巧遢：ｆ?１?！??图１．３两种非对称电容器结构示意图Ｍ??非对称超级电容器是由赝电容电极和双电层电容电极的正负极组成［？２５］。充放电过??程中，一极上发生电解液离子参与的快速可逆的赝电容法拉第反应，一极发生电解液离??子的物理脱吸附行为［２６］。赝电容材料的比电容远超过双电层储能的碳材料，能够提高器??件的比电容。并且通过利用正负极各自的电压窗口，通常可以把非对称超级电容的电压??窗口扩大到２Ｖ左右。这样设计的非对称超级电容器相比对称碳材料超级电容器具有更??接近锂离子电池的能量密度。??目前研宄较多，且有希望进一步商业化的混合离子电容器是锂离子电容器Ｍ?２３，?２７］。??锂离子电容器大多是由电容型的碳材料正极和锂离子电池型的负极组成，结合了功率密??度高和能量密度高的共同优点。并且在有机电解液体系中，碳材料正极的工作电压窗口??通常在３－４．５?Ｖ左右，将其和锂离子电池负极组装后，器件的工作电压窗口一般可以达??到３Ｖ以上。锂离子电容器的充放电过程可以表述如下：在充电时，电解质阴离子向正??极移动，正极通过物理吸附储能，Ｕ＋向负极运动，最终嵌入负极储能；放电时，正负极??则分别发生脱附和脱嵌反应，释放储存的能量。这两个电极的充放电过程在不同的电位??范围内进行，可以有效地扩大工作电位窗口，从而提高能量密度。相较赝电容法拉第反??应，电池型法拉第反应过程更加缓慢。正负极
?猛氧化物基非对称电容器电性能研究???颗粒／石墨稀复合材料，并且以ＡＣ为正极，Ｍｎ３〇４／ｇｒａｐｈｅｎｅ为负极，组装了?Ｍｎ３〇４－Ｇ／／ＡＣ??非对称锂离子电容器，其能量密度为１４２?Ｗｈ?ｋｇ－１?［６９］。Ｚｈａｏ通过化学沉积将ＭｎＯ纳米??颗粒沉积在木棉制备的碳纳米片（ＣＮ）上，并以此为负极和ＣＮ正极组装成ＭｎＯ／ＣＮ／／ＣＮ??非对称锂离子电容器，其在８３?Ｗ?ｋｇ－１时具有１００?Ｗ?ｈ?ｋｇ－１的最大能量密度［７Ｑ］。??ＭｎＯ．－ｃａｒｌｗｎ?ｎａｎｏｔｕｂｃ?（Ｃ?Ｎ?１ｈ）?ｃｏｍ（＞ｏｓｉｌｅ?？?，??／Ａ！ｎＯ＾－＜ａｒｌ＞ｏｎ?ｂａｓｅｄ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｄｌｏｒ?＼?：???■ｆ??＇？‘?ｉＢａＸｌ?ＭｎＯ：－ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｆｏａｍ／ａｅｒｏｇｅｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ???又’??麵薦鏖ｎ＿｜??，ｚ?（ＡＡｒａＭｉ?？Ｘｆ?ｌ＊Ｃ，＊ｔｅｅｐｅｉ＊ｉ??图１．?４常见的锰氧化物形貌及锰氧化物和碳材料复合处理示例［５７］??材料的缺陷设计也是改善电极电化学性能的重要手段。材料中常见的缺陷是微观上??的点缺陷，引入了阴离子或阳离子空位可以有效地调节金属氧化物的电子结构，促进表??面氧化还原反应［７１，７２］。此外，空位缺陷可以贡献更多的离子嵌入位点，能够提高电化学??容量ｔ７３］。Ｚｈａｏ等通过对电沉积获得的Ｍｎ０２进行氢化处理，利用ＴＥＭ和ＸＰＳ证明了氧??空位的引入，并且引入氧空位的Ｍｎ〇２在电容器三电极体系下表现出４４９?Ｆｇ－１的比电容??和优异的倍率性能［７４］。Ｚｏｕ等在惰性气氛下对ＭｎＯ进行退火处理，成功地在ＭｎＯ中引??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]非对称型电化学超级电容器的研究进展[J]. 田志宏,赵海雷,李玥,王治峰,仇卫华. 电池. 2006(06)
本文编号：3088657
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