高性能钴基氢氧化物电极材料及氢氧化钴—活性炭非对称式超级电容器的研究

发布时间：2017-04-27 16:09

  本文关键词：高性能钴基氢氧化物电极材料及氢氧化钴—活性炭非对称式超级电容器的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：化石燃料的急剧消耗、全球人口的不断增长以及加剧恶化的环境等一系列问题加速了人们对于高能量密度、高功率密度和超长循环使用寿命的能源储存和转换设备的需求。其中超级电容器作为能源储存设备具有好的功率性能,可以满足快速充放电的需求,在最近几年得到了广泛的关注。但是在实际的应用中受到能量密度低的限制,因此提高超级电容器能量密度是研究人员主要关注的一个课题。在此背景下,非对称式超级电容器由于具有比对称式结构更大的电位窗口,可以在不牺牲功率密度的前提下,得到更大能量密度的特点得到了大量的研究。基于此点考虑,我们通过电沉积法制备得到氢氧化钴电极材料,组装了Co(OH)_2|KOH|AC非对称式超级电容器,在1A/g下,能量密度最大可以达到27.7Wh/kg。虽然我们制备的非对称式超级电容器相对于商业碳基双电层电容器(10Wh/kg)能量密度具有较大的提升,但是仍旧不能满足实际的需求,因此我们需要继续改进实验方案来进一步提高超级电容器的能量密度。众所周知,电极材料和电解液作为超级电容器的主要组成部分,是其性能的主要影响因素。对于电解液,在早期的研究工作中,人们的关注点主要放在提高电压窗口方面,而最近几年,研究人员又提出在电解液中加入氧化还原物质可以提供额外的赝电容,从而大幅度提高超级电容器的能量密度。但是相关的文献报道主要集中于加入单一的氧化还原物质,往往只能针对一个电极比电容提高效果显著。因此,基于得到高能量密度Co(OH)_2-AC非对称式超级电容器的目的,我们通过使用离子交换隔膜,在正负电极室电解液中分别加入不同的氧化还原物质,同时提高正负电极的电荷存储能力。具体的实验中我们组装了Co(OH)_2|KOH+K_3Fe(CN)_6|KOH+PPD|AC新型非对称式超级电容器,在1A/g下其能量密度可以达到72.6Wh/kg,是同样条件下KOH电解液体系中能量密度的(25Wh/kg)2.9倍,即加入K_3Fe(CN)_6和PPD达到了提高超级电容器能量密度的目的。但是在循环稳定性测试中,循环充放电5000次后能量密度的剩余量仅为初始的44.1%,能量密度大量降低可能与对苯二胺的膜透过性及在空气中的易氧化性有关。针对这种现象,我们利用Fe(CN)64-阴离子不通过膜,并且可以在负电极发生氧化还原反应的特点,在负极电解液中加入K_4Fe(CN)_6取代PPD,组装成Co(OH)_2|KOH+K_3Fe(CN)_6|KOH+K_4Fe(CN)_6|AC非对称式超级电容器,循环充放电5000次后能量密度剩余74.2%,稳定性有显著地提高,同时得到的能量密度为54.6Wh/kg,高于氢氧化钾体系,但是低于对苯二胺体系,说明了不同的氧化还原电解液体系各有优缺点。总之,加入氧化还原活性物质可以作为我们提高能量密度的一种有效手段。此外,我们还可以通过改进电极材料的方法来提高超级电容器的能量密度。在电极材料的研究方面,人们已提出了合成复合电极材料、对基底材料进行表面改性等多个方法来提高电极材料的电化学性能。根据这个研究思路,在本论文中,我们具体进行了以下的实验来提高上文中制备的氢氧化钴电极的比电容和循环稳定性:i)采用酸刻蚀碳纸基底材料,增大其比表面积和表面润湿性,在刻蚀20min的条件下,氢氧化钴电极在4A/g下,比电容可以达到1491F/g,远高于未经过刻蚀的电极材料(648F/g);ii)利用钴和镍自身氧化还原电位的不同、Al对α-Co(OH)_2相结构具有稳定作用及沉积过程中不同金属元素相互间的协同效应,我们掺杂Al和Ni,合成了钴-铝氢氧化物和钴-镍-铝三元氢氧化物。掺杂铝后电极材料的循环稳定性具有明显地提高,钴-铝氢氧化物在8A/g下循环充放电1000次后其比电容剩余量为90.9%,高于纯氢氧化钴电极(80%)。而钴-镍-铝三元氢氧化物的比电容相对于氢氧化钴、钴-铝氢氧化物电极具有大幅度提升,在4A/g下比电容可以高达2829F/g。总之,我们实现了得到高性能电极材料的目的,为我们制备出高能量密度超级电容器提供了更大的可能性。
【关键词】：氢氧化钴 非对称式超级电容器 氧化还原型电解质 刻蚀碳纸 掺杂Al和Ni
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 超级电容器的分类和原理13-15
• 1.2 超级电容器的结构和组成15-20
• 1.2.1 电极材料16-18
• 1.2.2 电解液18-20
• 1.3 超级电容器的电化学性能指标20-22
• 1.4 非对称式超级电容器的研究现状22-23
• 1.5 钴基氢氧化物电极材料的研究现状23-25
• 1.6 选题依据和研究内容25-27
• 第2章 实验设备及测试方法27-31
• 2.1 实验试剂与实验仪器27-28
• 2.1.1 实验试剂27
• 2.1.2 主要实验仪器设备27-28
• 2.2 电极材料和电解液的制备28-29
• 2.2.1 基底碳纸的预处理和表面刻蚀28
• 2.2.2 氢氧化钴电极和Ni,Al掺杂多元氢氧化物电极的制备28-29
• 2.2.3活性炭负极材料的制备29
• 2.3 电极材料的结构形貌表征29
• 2.3.1 扫描电子显微镜 （SEM）29
• 2.3.2 X射线衍射分析（XRD）29
• 2.4 电极材料的电化学性能测试29-31
• 2.4.1 循环伏安法29-30
• 2.4.2 恒电流充放电30
• 2.4.3 电化学阻抗测试30-31
• 第3章 非对称式超级电容器在不同电解质体系下的性能研究31-58
• 3.1 前言31-32
• 3.2 电极材料及电解液的制备32-33
• 3.2.1 电极材料的制备32
• 3.2.2 电解液的制备32
• 3.2.3 超级电容器的组装32-33
• 3.3 结果和讨论33-56
• 3.3.1 电极的结构与形貌表征33-37
• 3.3.2 Co(OH)_2|KOH|AC非对称式超级电容器的电化学性能测试37-43
• 3.3.3 电解液中加入氧化还原物质的非对称式超级电容器的电化学性能测试43-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第4章 钴基氢氧化物电极材料的电化学性能研究58-73
• 4.1 引言58-59
• 4.2 电极材料的制备59
• 4.2.1 刻蚀碳纸基底的制备59
• 4.2.2 刻蚀碳纸/氢氧化钴电极的制备59
• 4.2.3 刻蚀碳纸/钴-铝二元氢氧化物电极的制备59
• 4.2.4 刻蚀碳纸/钴-镍-铝三元氢氧化物电极的制备59
• 4.3 结果和讨论59-72
• 4.3.1 电极的结构与形貌表征59-64
• 4.3.2 刻蚀碳纸基底材料对电极材料电化学性能的影响64-68
• 4.3.3 掺杂Al对电极材料电化学性能的影响68-70
• 4.3.4 掺杂Ni对电极材料电化学性能的影响70-72
• 4.4 小结72-73
• 第5章 全文总结73-75
• 参考文献75-83
• 致谢83

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本文编号：330942