石墨烯超级电容材料渗流特性及储能性能基础研究
发布时间：2021-07-25 16:21
由于人类大量开发和利用传统化石能源,造成传统不可再生能源的枯竭,加剧了全球能源危机及环境污染。开发可持续清洁能源和高效的能量转换和储存技术是一个巨大挑战,同时也为新能源的开发利用带来了发展契机。基于双电层原理工作的超级电容,依靠储能活性材料表面形成的双电层结构对电解液离子的静电吸附来实现电荷储存。相比于传统电容和二次电池,超级电容具有功率密度高、充放电速度快、工作温度窗口宽和循环寿命长等突出优点。石墨烯作为一种新型二维碳纳米材料,具有高比表面积、优异的导电性和力学性能等特点,被视为理想的超级电容电极材料。超级电容的储能本质与微观层面电极材料-电解液交互作用密切相关。增大电极材料的表面积有效利用率对于充分挖掘超级电容的储能性能具有重要意义。从微观层面上看,电解液在电极材料中的渗流行为特性会极大地影响电极材料的表面积有效利用率,进而显著影响宏观层面超级电容的能量输出。考虑到电解液在石墨烯电极材料中流动的复杂性,可视化实验研究存在较大困难,无法对石墨烯孔隙结构内电解液渗流行为特性的细节进行更加全面地描述。数值模拟技术作为实验手段的有效补充,可以从渗流过程的本质特征出发,反映渗流演化规律。本研...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１双电层电容工作原理示意图［６］??双电层储能理论发展和完善的过程中，先后经历了几种不同的双电层模型阶??
?充电过程?放电过程??图１－１双电层电容工作原理示意图［６］??双电层储能理论发展和完善的过程中，先后经历了几种不同的双电层模型阶??段，按照时间顺序依次为Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ模型、Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｎｉａｎ模型和Ｓｔｅｍ模型，如??图１－２所示。??最早的双电层电容模型由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ于１８５３年提出，也被称为紧密双电层??模型［７］。该模型认为，当正负电极带电后，电解液离子会在相反电荷的作用下吸??引至电极表面，形成紧密排列的双电层结构，而异性的电解液离子则被排斥而远??离电极表面。而电极界面与电解液之间形成的势垒使得溶液中离子与界面电荷无??法中和，最终形成了稳定的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ层。此时，双电层电容的计算公式如下：??Ｃ?十?（１－１）??其中，Ｃ为双电层电容的电容量，单位为Ｆｇ＇ｅ是介电常数，单位为Ｆｍ＿１。３??为电极材料的比表面积
?工作共同获得了?２０１０年诺贝尔物理学奖［１９］。通过不同的变形方式，石墨烯可以??转变为不同维度的碳材料（图１－３所示），例如０Ｄ的富勒烯，１Ｄ的ＣＮＴ以及??３Ｄ的石墨＿。??理想的石墨烯只有一个碳原子厚度，仅有０．３５?ｎｍ，理论比表面积高达２６３０??ｍ２?ｇ－１。其载流子迁移率高达？２?ｘ?ｌ〇５?ｃｍ２?Ｖ－ｉ?导热系数高达５３００?ｊ?ｓ－??、具有优异的导电和导热性能［２１］。目前石墨烯是世界上已知的最轻薄也最坚硬??的纳米材料，具有稳定的机械力学性能。因此，石墨烯在电子元器件［２２］、传感器??［２３］、生物技术［２４］、医疗健康［２５］和能源环境［２６’２７］等领域具有广阔的应用前景。??－？?＞?？?＇?？?？?＇?ｒ?■?＇?－?１?！?＇?？?＜?＇?＊?．＇??－－－－－－－－＊ｒ＊＊ｒ?－?－?－?－?？?－ｖｙ－＊？ｒ￣ｒ＊＇ｒ＇ｖ＊－ｉｒ＊，ｖ￣?？?？?－?．?－??．?．Ｃ＾ＣＯ：?．??．ｖ?乂?．?－??？?．?．?，?．?．?：：；ｘｐｐ＾ｃｘｘ＾：：ｖ－ｖ．?．?ＣＣＣＯＶ＇?／－??／■?－：?－??，：％?ｍ??義??ｍ?篇??图１－３石墨烯和其他传统碳材料??（２）水平石墨烯及其超级电容储能研究现状??近些年来，为了获取高性能的石墨烯纳米材料，国内外研究学者对石墨烯的??制备开展了大量研究。目前，石墨烯制备的经典方法包括机械剥离法［２８］、晶体外??延生长法［２９］、化学气相沉积（Ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Lattice Boltzmann modeling of transport phenomena in fuel cells and flow batteries[J]. Ao Xu,Wei Shyy,Tianshou Zhao. Acta Mechanica Sinica. 2017(03)
[2]中国电力“十三五”及中长期发展的重大问题研究[J]. 张运洲,程路. 中国电力. 2015(01)
[3]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)
[4]电力储能技术应用前景分析[J]. 张宇,俞国勤,施明融,杨林青,何维国,卫春. 华东电力. 2008(04)
[5]储能技术及其在现代电力系统中的应用[J]. 程时杰,文劲宇,孙海顺. 电气应用. 2005(04)
本文编号：3302362
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１双电层电容工作原理示意图［６］??双电层储能理论发展和完善的过程中，先后经历了几种不同的双电层模型阶??
?充电过程?放电过程??图１－１双电层电容工作原理示意图［６］??双电层储能理论发展和完善的过程中，先后经历了几种不同的双电层模型阶??段，按照时间顺序依次为Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ模型、Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｎｉａｎ模型和Ｓｔｅｍ模型，如??图１－２所示。??最早的双电层电容模型由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ于１８５３年提出，也被称为紧密双电层??模型［７］。该模型认为，当正负电极带电后，电解液离子会在相反电荷的作用下吸??引至电极表面，形成紧密排列的双电层结构，而异性的电解液离子则被排斥而远??离电极表面。而电极界面与电解液之间形成的势垒使得溶液中离子与界面电荷无??法中和，最终形成了稳定的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ层。此时，双电层电容的计算公式如下：??Ｃ?十?（１－１）??其中，Ｃ为双电层电容的电容量，单位为Ｆｇ＇ｅ是介电常数，单位为Ｆｍ＿１。３??为电极材料的比表面积
?工作共同获得了?２０１０年诺贝尔物理学奖［１９］。通过不同的变形方式，石墨烯可以??转变为不同维度的碳材料（图１－３所示），例如０Ｄ的富勒烯，１Ｄ的ＣＮＴ以及??３Ｄ的石墨＿。??理想的石墨烯只有一个碳原子厚度，仅有０．３５?ｎｍ，理论比表面积高达２６３０??ｍ２?ｇ－１。其载流子迁移率高达？２?ｘ?ｌ〇５?ｃｍ２?Ｖ－ｉ?导热系数高达５３００?ｊ?ｓ－??、具有优异的导电和导热性能［２１］。目前石墨烯是世界上已知的最轻薄也最坚硬??的纳米材料，具有稳定的机械力学性能。因此，石墨烯在电子元器件［２２］、传感器??［２３］、生物技术［２４］、医疗健康［２５］和能源环境［２６’２７］等领域具有广阔的应用前景。??－？?＞?？?＇?？?？?＇?ｒ?■?＇?－?１?！?＇?？?＜?＇?＊?．＇??－－－－－－－－＊ｒ＊＊ｒ?－?－?－?－?？?－ｖｙ－＊？ｒ￣ｒ＊＇ｒ＇ｖ＊－ｉｒ＊，ｖ￣?？?？?－?．?－??．?．Ｃ＾ＣＯ：?．??．ｖ?乂?．?－??？?．?．?，?．?．?：：；ｘｐｐ＾ｃｘｘ＾：：ｖ－ｖ．?．?ＣＣＣＯＶ＇?／－??／■?－：?－??，：％?ｍ??義??ｍ?篇??图１－３石墨烯和其他传统碳材料??（２）水平石墨烯及其超级电容储能研究现状??近些年来，为了获取高性能的石墨烯纳米材料，国内外研究学者对石墨烯的??制备开展了大量研究。目前，石墨烯制备的经典方法包括机械剥离法［２８］、晶体外??延生长法［２９］、化学气相沉积（Ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
【参考文献】：
期刊论文
[1]Lattice Boltzmann modeling of transport phenomena in fuel cells and flow batteries[J]. Ao Xu,Wei Shyy,Tianshou Zhao. Acta Mechanica Sinica. 2017(03)
[2]中国电力“十三五”及中长期发展的重大问题研究[J]. 张运洲,程路. 中国电力. 2015(01)
[3]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)
[4]电力储能技术应用前景分析[J]. 张宇,俞国勤,施明融,杨林青,何维国,卫春. 华东电力. 2008(04)
[5]储能技术及其在现代电力系统中的应用[J]. 程时杰,文劲宇,孙海顺. 电气应用. 2005(04)
本文编号：3302362
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