高性能超级电容器的结构设计与应用
发布时间：2021-09-19 16:32
随着科学技术的不断发展,自供电可穿戴监测系统被认为是下一代智能电子的关键技术之一。然而,给这些智能电子供电的能源装置一直是我们不懈努力的方向。为了实现这些智能电子的灵活性以及佩戴舒适性,我们必须放弃既笨重又坚硬的外部供电系统。这意味着柔性的、亲肤的、可集成的供电单元将成为我们致力于研究的重点。超级电容器由于体积小、安全性高、佩戴舒适度优良等特点成为了可集成能源存储器件的选择之一。但是在可穿戴集成系统中超级电容器在应用方面还存在很多的不足,这需要我们开发新型电极材料,优化器件结构等来提高它的性能以及实际应用价值。本论文主要的研究成果如下:首先,运用两步水热法在泡沫镍基底上合成了 Co3O4@NiCo2O4复合材料,由于两者的协同作用,其电化学性能比单体的Co3O4或者NiCo2O4都有显著提高。在2 mA·cm-2的电流密度充放电测试计算得出的单电极面积比电容达到9.12 F.cm-1。Co3O4@NiCo2O4/泡沫镍电极组装的对称超级电容器件在5 mA·cm-2的电流密度下测得其面积比容量为486 mF·cm-2,在经历5000个恒流充放电循环以后,其容量仍然保持最初容量的98.6%...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１双电层机理的新发现．（ａ）在－１．５?Ｖ－＋１．５?Ｖ不同充电状态下，活性炭基超级??电容器的孔内离子群
是另??一种独立的存储方式。因此电容的概念不能用于上述具有法拉第行为的电极??材料。事实上镍／钴氧化物或者氢氧化物只能与碳基电极组合成为混合型超级??电容器。因此当转化成容量的单位时，获得的超高容量值（＞１０００?Ｆｇ１）并??不利于电极材料的高效利用。然而，这方面的动力学研宄却很少。目前，还??不能简单地认为这一类材料的动力学行为与Ｎｉ（ＯＨ）２相同，因为Ｎｉ（ＯＨ）２的??电荷完全受晶格框架内部的离子扩散控制。??双电展与赝电容的桥聚??插習容??赝电容与电池的桥Ｉｄ??图１－２不同存储机制的过渡关系图。??通常我们很容易混淆赝电容行为与插层赝电容行为，为了区分这两者的??不同，我们用一张图来解释赝电容行为的发展历程，如图１＿２。１９９１年Ｃｏｎｗａｙ??通过研究Ｒｕ０２解释过“电容”到“电池”的过渡电化学行为，换句话说，??Ｒｕ０２建立了双电层电容与电池之间的联系。事实上，插层赝电容行为表现出??与典型的赝电容行为相似的动力学特征，而其电化学行为又与电池行为相同，??其氧化还原反应伴随着阳离子在电极材料晶体结构中的插入与脱出。其电化??学特征（如伏安特性曲线上清晰的氧化还原峰）与电池行为相似，而其动力学??（ｂ＝?１）和可逆性高于电池行为，且接近传统的Ｒｕ０２或Ｍｎ０２的赝电容行为。??１．２．３嵌入型电极材料??２００５年，Ｋａｖａｎ［２６＾报道了?Ｔｉ０２中的赝电容性Ｌｉ＋嵌入／脱嵌行为，被认??１２??
面赝电容不同，插层中的电荷存储不是发生在??表面上，而是发生在材料的内部。因此，当电极表现出插层赝电容时，其电??容贡献一般占总容量（或电容）的绝大部分，如Ｔｉ０２、ＨｘＴｉｘＯｙ、Ｍｏ〇３和Ｎｂ２０５。??０．０３?－１???ｒ。２：??ｗ?一，?－－??Ｉ??｜?－０．０１－二??￣０．０３?－＊－１?？?１?＞?１?？?１?？?１—??１．６?２．０?２．４?２．８?３．２??Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?（Ｖ?ｖｅｒｓｕｓ?Ｌｉ／Ｌｉ＋）??图１－３计算的电容贡献值示意图［２８］。??１４??
本文编号：3401952
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１双电层机理的新发现．（ａ）在－１．５?Ｖ－＋１．５?Ｖ不同充电状态下，活性炭基超级??电容器的孔内离子群
是另??一种独立的存储方式。因此电容的概念不能用于上述具有法拉第行为的电极??材料。事实上镍／钴氧化物或者氢氧化物只能与碳基电极组合成为混合型超级??电容器。因此当转化成容量的单位时，获得的超高容量值（＞１０００?Ｆｇ１）并??不利于电极材料的高效利用。然而，这方面的动力学研宄却很少。目前，还??不能简单地认为这一类材料的动力学行为与Ｎｉ（ＯＨ）２相同，因为Ｎｉ（ＯＨ）２的??电荷完全受晶格框架内部的离子扩散控制。??双电展与赝电容的桥聚??插習容??赝电容与电池的桥Ｉｄ??图１－２不同存储机制的过渡关系图。??通常我们很容易混淆赝电容行为与插层赝电容行为，为了区分这两者的??不同，我们用一张图来解释赝电容行为的发展历程，如图１＿２。１９９１年Ｃｏｎｗａｙ??通过研究Ｒｕ０２解释过“电容”到“电池”的过渡电化学行为，换句话说，??Ｒｕ０２建立了双电层电容与电池之间的联系。事实上，插层赝电容行为表现出??与典型的赝电容行为相似的动力学特征，而其电化学行为又与电池行为相同，??其氧化还原反应伴随着阳离子在电极材料晶体结构中的插入与脱出。其电化??学特征（如伏安特性曲线上清晰的氧化还原峰）与电池行为相似，而其动力学??（ｂ＝?１）和可逆性高于电池行为，且接近传统的Ｒｕ０２或Ｍｎ０２的赝电容行为。??１．２．３嵌入型电极材料??２００５年，Ｋａｖａｎ［２６＾报道了?Ｔｉ０２中的赝电容性Ｌｉ＋嵌入／脱嵌行为，被认??１２??
面赝电容不同，插层中的电荷存储不是发生在??表面上，而是发生在材料的内部。因此，当电极表现出插层赝电容时，其电??容贡献一般占总容量（或电容）的绝大部分，如Ｔｉ０２、ＨｘＴｉｘＯｙ、Ｍｏ〇３和Ｎｂ２０５。??０．０３?－１???ｒ。２：??ｗ?一，?－－??Ｉ??｜?－０．０１－二??￣０．０３?－＊－１?？?１?＞?１?？?１?？?１—??１．６?２．０?２．４?２．８?３．２??Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?（Ｖ?ｖｅｒｓｕｓ?Ｌｉ／Ｌｉ＋）??图１－３计算的电容贡献值示意图［２８］。??１４??
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