基于三维致密石墨烯材料的高能量密度储能器件的构筑及电化学性能研究
发布时间：2021-06-06 05:31
碳基电极材料因其比表面积大,导电性好,比容量高等优势,已被广泛用于超级电容器。尽管碳基超级电容器具有诸多优点,但相对低的体积能量密度严重阻碍了碳基超级电容器在微型化领域的应用,因此,开发高体积性能（体积能量密度和体积功率密度）的碳基超级电容器是当前急需解决的问题。对于碳基电极材料,从结构入手,开发三维致密多孔网络结构是提升器件体积性能的有效策略。同时,考虑到孔结构与离子传输相关,密度决定电极材料的体积性能。因此,平衡碳材料的孔结构和密度,建立多孔碳电极模型,指导电极结构的优化,也是提升器件体积性能的必经之路。基于此,本论文围绕石墨烯的孔结构调控,采用毛细蒸发干燥技术获得三维致密石墨烯水凝胶电极材料,分别构筑了两种高体积性能的储能器件;此外,采用ZnCl2化学活化法调控了活性炭的孔结构,系统研究孔结构与电容性能之间的构效关系,揭示多孔活性炭电极中离子的传输机制,通过多孔碳结构模型的构建,获得体积性能最优的孔径分布。具体研究内容如下:1.采用毛细蒸发干燥技术制备了三维致密石墨烯水凝胶电极材料,通过退火处理改变材料的含氧官能团,提升其电导率。获得的电极材料密度高(1.2...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能装置的Ragone图[8]
构建的赝电容器都具有比EDLCs更大的比容量（在相同比表面积情况下，赝电容的电容值是双电层电容的10~100倍）和能量密度。但相比于EDLCs，赝电容器储能涉及到离子在体相中的嵌入/脱出，因此在充放电循环过程中，其结构稳定性较差[32-34]。（3）混合电容器混合电容器，又称杂化电容器，这是一种结合了EDLCs和电池两者优点的新型储能器件，也是目前超级电容器领域的研究热点之一。通常，混合电容器一极采用传统的电池型电极材料，通过可逆的电化学反应来储存能量，另一极则采用双电层电极材料或赝电容电极材料来储存能量，如图1.2c所示[20]。混合电容器不仅拥有电池型电极材料高的能量密度，同时还拥有更高的工作电压窗口。这种混合装置类似于一个可充电电池兼具较高的功率密度和循环寿命，亦可以说是一种具有较高能量密度的超级电容器，性能介于超级电容器和电池之间，推动了储能领域的进一步发展，是目前超级电容器研究领域的一大热点，主要已开发或研究的混合电容器有锂离子混合电容器、钠离子混合电容器、锌离子混合电容器等[7,35]。图1.2超级电容器储能机理示意图：(a)双电层电容器；(b)赝电容电容器；(c)混合超级电容器[20]。1.2.2超级电容器的特点及应用超级电容器作为一种新型储能器件，兼具传统电容器和电池的优点，如功率密度高、稳定性好和安全性能高等。基于这些优点，超级电容器被广泛使用在便携式电子设备、新能源电动汽车和智能电网等领域。以下分别介绍了超级电容器的特点和应用。（1）超级电容器的特点
硕士学位论文9可以看出，超级电容器的能量密度与其比容量和工作电压的平方成正比。因此，提升超级电容器能量密度的策略有三种：（1）开发高容量的电极材料或对现有电极材料的结构进行设计来提升电极材料的比容量；（2）开发具有高的稳定电压窗口的安全电解液，或构筑非对称电容器，从而拓宽超级电容器的电压窗口；（3）将超级电容器与二次电池进行“内部交叉”构筑兼具高能量密度和高功率密度的金属离子混合电容器，如图1.3所示。图1.3提高电化学电容器能量密度的途径。1.4.1高容量碳基电极材料的制备（1）结构设计要实现高容量的碳基电极材料，对碳材料进行结构优化显得尤为重要。实验表明，相比于单一孔结构的碳材料来说，具有分级多孔结构的碳材料能够兼具高容量和高倍率。分级多孔结构主要表现在大孔作为容纳电解液的容器，中孔促进离子转移，而微孔则主导离子的吸附储能实现能量存储[68]。目前分级多孔结构的碳材料性能优异，例如，吴丁财等人提出了一系列制备高比表面积、分级孔结构多孔碳材料的新策略[69-71]。Gogotsi等人开发了一种炭化物衍生炭，这种碳包含微孔、中孔和大孔结构，具有极高的比表面积，展现出巨大的储能潜力[72]。此外，通过设计孔结构使碳材料致密化，实现高体积能量密度也是一种十分有效的方法。例如，杨全红课题组首次提出了一种基于石墨烯的新型宏观块材（如图1.4），它可以平衡高孔隙率和高体积容量这两种相反的特征。该材料孔结构丰富（比表面积为370m2g-1）以及密度高（为1.58gcm-3），因此是实现高体积能量密度的潜在理想电极材料。通过在KOH体系中组装对称器件，得到的体积比容量高达376Fcm-3，这是所报道的水系电解液中碳材料的最高值。用水系电解液构造的器件的最大体积能量密度为13.1WhL-1[73]。随后，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
硕士论文
[1]超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 农谷珍.大连理工大学 2009
本文编号：3213711
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能装置的Ragone图[8]
构建的赝电容器都具有比EDLCs更大的比容量（在相同比表面积情况下，赝电容的电容值是双电层电容的10~100倍）和能量密度。但相比于EDLCs，赝电容器储能涉及到离子在体相中的嵌入/脱出，因此在充放电循环过程中，其结构稳定性较差[32-34]。（3）混合电容器混合电容器，又称杂化电容器，这是一种结合了EDLCs和电池两者优点的新型储能器件，也是目前超级电容器领域的研究热点之一。通常，混合电容器一极采用传统的电池型电极材料，通过可逆的电化学反应来储存能量，另一极则采用双电层电极材料或赝电容电极材料来储存能量，如图1.2c所示[20]。混合电容器不仅拥有电池型电极材料高的能量密度，同时还拥有更高的工作电压窗口。这种混合装置类似于一个可充电电池兼具较高的功率密度和循环寿命，亦可以说是一种具有较高能量密度的超级电容器，性能介于超级电容器和电池之间，推动了储能领域的进一步发展，是目前超级电容器研究领域的一大热点，主要已开发或研究的混合电容器有锂离子混合电容器、钠离子混合电容器、锌离子混合电容器等[7,35]。图1.2超级电容器储能机理示意图：(a)双电层电容器；(b)赝电容电容器；(c)混合超级电容器[20]。1.2.2超级电容器的特点及应用超级电容器作为一种新型储能器件，兼具传统电容器和电池的优点，如功率密度高、稳定性好和安全性能高等。基于这些优点，超级电容器被广泛使用在便携式电子设备、新能源电动汽车和智能电网等领域。以下分别介绍了超级电容器的特点和应用。（1）超级电容器的特点
硕士学位论文9可以看出，超级电容器的能量密度与其比容量和工作电压的平方成正比。因此，提升超级电容器能量密度的策略有三种：（1）开发高容量的电极材料或对现有电极材料的结构进行设计来提升电极材料的比容量；（2）开发具有高的稳定电压窗口的安全电解液，或构筑非对称电容器，从而拓宽超级电容器的电压窗口；（3）将超级电容器与二次电池进行“内部交叉”构筑兼具高能量密度和高功率密度的金属离子混合电容器，如图1.3所示。图1.3提高电化学电容器能量密度的途径。1.4.1高容量碳基电极材料的制备（1）结构设计要实现高容量的碳基电极材料，对碳材料进行结构优化显得尤为重要。实验表明，相比于单一孔结构的碳材料来说，具有分级多孔结构的碳材料能够兼具高容量和高倍率。分级多孔结构主要表现在大孔作为容纳电解液的容器，中孔促进离子转移，而微孔则主导离子的吸附储能实现能量存储[68]。目前分级多孔结构的碳材料性能优异，例如，吴丁财等人提出了一系列制备高比表面积、分级孔结构多孔碳材料的新策略[69-71]。Gogotsi等人开发了一种炭化物衍生炭，这种碳包含微孔、中孔和大孔结构，具有极高的比表面积，展现出巨大的储能潜力[72]。此外，通过设计孔结构使碳材料致密化，实现高体积能量密度也是一种十分有效的方法。例如，杨全红课题组首次提出了一种基于石墨烯的新型宏观块材（如图1.4），它可以平衡高孔隙率和高体积容量这两种相反的特征。该材料孔结构丰富（比表面积为370m2g-1）以及密度高（为1.58gcm-3），因此是实现高体积能量密度的潜在理想电极材料。通过在KOH体系中组装对称器件，得到的体积比容量高达376Fcm-3，这是所报道的水系电解液中碳材料的最高值。用水系电解液构造的器件的最大体积能量密度为13.1WhL-1[73]。随后，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
硕士论文
[1]超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 农谷珍.大连理工大学 2009
本文编号：3213711
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