高比能超级电容器的制备及其能量存储机制研究
发布时间：2021-03-23 16:59
超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件,具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长等优点。目前,研究者们对超级电容器的研究主要集中在对高性能电极材料的制备上,目的是提高超级电容器的能量密度和功率密度,以满足现代电子器件的需求。本文通过使用价格低廉的赝电容电极材料作为超级电容器材料,并结合多种材料研究测试方法和电化学研究手段,分别从晶体结构设计和氧空位方面对高比能超级电容器进行研究。主要研究内容和创新点如下:1.将具有相似理化性质的超长线状单晶结构V2O5（W-V2O5）和V2O5纳米粒子（P-V2O5）两种材料用以研究使赝电容增强的可能性因素。通过对其电容行为和晶体结构的分析,我们发现,除了讨论最多的比表面积为影响因素以外,晶体结构中晶面取向和层间间距也对电容性能产生很大影响。本工作合成的V2O5具有超长线状单晶结构,其作为超级电容器电极材料具有以下优势:首...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同的能量存储器件Ragone图（Ragoneplot）的示意图[9]
碳，其具有良好的高电导率的电化学稳定性和开放孔隙度[15]。而使用最广泛的材料是活性炭，因为它具有较高的活性，而且成本低，例如活性模板和碳化物衍生碳、碳纤维和纳米管等[16]。在水溶液中，双电层电容能够达到150-300F/g，而在较低的电池电压范围下，有机电解质的电容值下降到100-120F/g，而对于未经处理的碳纳米管或纳米纤维的电容大约为50-80F/g。通过在碳纳米管基底中引入含氧基团，电容值能够增加到100F/g，但是含氧基团的加入会影响其循环性。活性炭织物具有相似的比表面积，但价格昂贵，可以提供可观的电容。如图1.2为不同储存机理的商用电容器。图1.2不同储存机理的商用电容器[14]1.2.2法拉第电容器法拉第电容器是介于电池和双电层电容器之间的另一种超级电容器。在充放电过程中通过快速氧化还原反应进行电荷迁移。电荷转移与电池的原理相似，但法拉第电容器更多的反应发生于电极材料与电解质的界面处[17]。1975年，康威、伯斯、沃伊托维茨
容分为三种不同机制：（a）欠电位沉积，（b）氧化还原赝电容和（c）插入式赝电容。欠电位沉积典型的电化学现象是铅对金的电吸附，是根据吸附质和衬底之间的晶格匹配程度决定的[3]。在氧化还原赝电容的机制下，电极和电解质之间的电荷转移是经过氧化还原反应发生的，会导致相关元素的价态发生变化。当电子被吸收，氧化态降低时，就会发生还原反应，而氧化反应表明电子的释放和氧化态的增加。特殊的是，对于首次发现具有赝电容性质的氧化钌(水合氧化钌)而言，氧化还原是通过吸附电解质中的质子并将其释放回电解质而发生的，如图1.3所示。在吸附质子的同时，把氧化态从+4改变为+3[25]。而插入式赝电容指的是阳离子插入电极材料的晶格间隙中，在插入过程中应有适当数量的电子转移到主体上，以保持电极的电中性。图1.3不同类型的法拉第电容存储机制[26]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of rGO Coating on Interconnected Co3O4 Nanosheets and Improved Supercapacitive Behavior of Co3O4/rGO/NF Architecture[J]. Tinghui Yao,Xin Guo,Shengchun Qin,Fangyuan Xia,Qun Li,Yali Li,Qiang Chen,Junshuai Li,Deyan He. Nano-Micro Letters. 2017(04)
本文编号：3096116
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同的能量存储器件Ragone图（Ragoneplot）的示意图[9]
碳，其具有良好的高电导率的电化学稳定性和开放孔隙度[15]。而使用最广泛的材料是活性炭，因为它具有较高的活性，而且成本低，例如活性模板和碳化物衍生碳、碳纤维和纳米管等[16]。在水溶液中，双电层电容能够达到150-300F/g，而在较低的电池电压范围下，有机电解质的电容值下降到100-120F/g，而对于未经处理的碳纳米管或纳米纤维的电容大约为50-80F/g。通过在碳纳米管基底中引入含氧基团，电容值能够增加到100F/g，但是含氧基团的加入会影响其循环性。活性炭织物具有相似的比表面积，但价格昂贵，可以提供可观的电容。如图1.2为不同储存机理的商用电容器。图1.2不同储存机理的商用电容器[14]1.2.2法拉第电容器法拉第电容器是介于电池和双电层电容器之间的另一种超级电容器。在充放电过程中通过快速氧化还原反应进行电荷迁移。电荷转移与电池的原理相似，但法拉第电容器更多的反应发生于电极材料与电解质的界面处[17]。1975年，康威、伯斯、沃伊托维茨
容分为三种不同机制：（a）欠电位沉积，（b）氧化还原赝电容和（c）插入式赝电容。欠电位沉积典型的电化学现象是铅对金的电吸附，是根据吸附质和衬底之间的晶格匹配程度决定的[3]。在氧化还原赝电容的机制下，电极和电解质之间的电荷转移是经过氧化还原反应发生的，会导致相关元素的价态发生变化。当电子被吸收，氧化态降低时，就会发生还原反应，而氧化反应表明电子的释放和氧化态的增加。特殊的是，对于首次发现具有赝电容性质的氧化钌(水合氧化钌)而言，氧化还原是通过吸附电解质中的质子并将其释放回电解质而发生的，如图1.3所示。在吸附质子的同时，把氧化态从+4改变为+3[25]。而插入式赝电容指的是阳离子插入电极材料的晶格间隙中，在插入过程中应有适当数量的电子转移到主体上，以保持电极的电中性。图1.3不同类型的法拉第电容存储机制[26]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of rGO Coating on Interconnected Co3O4 Nanosheets and Improved Supercapacitive Behavior of Co3O4/rGO/NF Architecture[J]. Tinghui Yao,Xin Guo,Shengchun Qin,Fangyuan Xia,Qun Li,Yali Li,Qiang Chen,Junshuai Li,Deyan He. Nano-Micro Letters. 2017(04)
本文编号：3096116
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