硅酸镍核壳微球/石墨烯电极材料的制备与性能研究
发布时间：2021-09-23 06:47
超级电容器具有充放电迅速、低碳环保、可逆性好、功率密度高、循环寿命长等优点,是解决能源短缺和环境污染的重要手段之一,被广泛关注和分析研究。硅酸镍因为分布广泛,资源丰富、氧化还原性良好和具有较好的化学稳定性,是极具潜力的超级电容器的电极材料,所以本论文以硅酸镍为超级电容器电极材料。通过XRD、SEM、TEM和氮气吸附-脱附实验对电极材料的物相和形貌进行表征,采用循环伏安测试、恒流充放电测试、交流阻抗测试和循环寿命测试研究电极材料的电化学性能。本论文的研究内容如下:1.硅酸镍核壳微球电极材料本论文采用St（?）ber法制备单分散,粒径均一,直径约为480 nm的二氧化硅球,采用简单水热法以二氧化硅球为硅源和模板制备了直径约为525 nm的硅酸镍核壳微球（SiNiOH核壳微球）电极材料。一系列物理表征表明,制备的硅酸镍核壳微球结晶性较差,核壳结构清晰分明,壳层由弯曲或皱折的硅酸镍纳米薄片组成,具有分层、多孔的结构,便于离子和电子的快速传输。利用一系列电化学实验进行研究分析,硅酸镍核壳微球具有较好的电化学性能,在0.5 A/g的电流密度下,比电容可以达到356.7 F/g,并对材料电容的贡献行...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器以及其他储能装置的Ragone曲线[2]
内蒙古大学硕士学位论文2目前的储能器件主要有锂离子电池、钠离子电池、燃料电池和超级电容器等[3-6]。超级电容器（Supercapacitor），通常又被称为电化学电容器，双电层电容器或法拉第准电容器。超级电容器与传统的电容器储能机理不同，它不是一般意义上的电路元件，它是通过电极和电解液之间的界面和电极表面或内部进行可逆的氧化还原反应储存电荷[7]，是一种新型、独特的电化学储能器件，它的出现填补了图1.1中传统电容器高比功率和电池的高比能量之间的空白[8]，具有独特的与之相符的应用场合。1.2超级电容器的结构和种类超级电容器的简化模型如下图1.2所示，主要由电极材料、电解液、隔膜和集流体这四部分组成[9-12]。其中电极材料由活性物质、导电剂、粘结剂三部分组成。目前主要的电极活性材料大概可以分为三类：碳材料、过渡金属氧化物/氢氧化物/硫化物等和导电聚合物，它们具有储存能量的作用，是超级电容器的重要组成部分。电解液主要有两种：水系电解液和有机电解液，在电荷传输过程中为超级电容器提供离子。隔膜主要有纤维素膜，聚丙烯膜等，具有导电且防止正负极接触导致短路的作用。集流体常用的有泡沫镍、导电玻璃、碳布等，是活性物质的负载基底，与外部电路连接在一起，能够降低超级电容器器件的内阻。图1.2超级电容器结构示意图Figure1.2Schematicdiagramofsupercapacitor
内蒙古大学硕士学位论文4（2）赝电容电容器赝电容电容器，又称为法拉第准电容器，是指在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或者氧化/还原反应，从而产生法拉第电容[16,17]。法拉第电容不仅会在电极材料表面产生，而且材料内部一定范围也会产生，这样大大提高了活性材料的利用效率，因此赝电容电容器的电容量通常高达双电层电容器的数十倍，并在能量密度方面遥遥领先。赝电容材料一般可分为两类，首先是过渡金属氧化物，如RuO2、MnO2、NiO等，这类活性物质是充电时在外加电场的作用下，电解液中的离子（通常为+或）从溶液中扩散到电极/电解液界面，通过发生界面电化学反应：surfacexsurfaceMxHMOeHO)()(1++→++（1-1）进入到电极表面活性物质的体相中，当放电时，扩散到电极/电解液界面的离子会重新回到电解液中，同时将储存的能量通过外界电路释放出来[18]。另外一类则是导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和聚乙烯二氧噻吩等。这类活性物质是通过发生快速可逆的n型或p型掺杂-去掺杂氧化还原反应从而进行电荷储存和释放，产生法拉第电容完成能量储存和释放。从电化学的角度来看，赝电容的储能机制可以分为三类，如图1.3（b,c,d）所示，分别为欠电位沉积、氧化还原赝电容和嵌入赝电容。欠电位沉积是在两种不同金属之间发生的一图1.3(a)双电层电容器，(b)欠电位沉积，(c)氧化还原赝电容，(d)嵌入赝电容的工作原理示意图Figure1.3Schematicdiagramof(a)electricdoublelayercapacitors,(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitance,and(d)intercalationpseudocapacitance
【参考文献】：
博士论文
[1]石墨烯的制备及在超级电容器中的应用[D]. 吴洪鹏.北京交通大学 2012
[2]超级电容器及其相关材料的研究[D]. 李会巧.复旦大学 2008
硕士论文
[1]聚苯胺超级电容器材料的性能研究与应用[D]. 姚舜.安徽理工大学 2019
[2]纳米结构硅酸锰电极材料的制备与性能研究[D]. 田琛.内蒙古大学 2019
本文编号：3405237
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器以及其他储能装置的Ragone曲线[2]
内蒙古大学硕士学位论文2目前的储能器件主要有锂离子电池、钠离子电池、燃料电池和超级电容器等[3-6]。超级电容器（Supercapacitor），通常又被称为电化学电容器，双电层电容器或法拉第准电容器。超级电容器与传统的电容器储能机理不同，它不是一般意义上的电路元件，它是通过电极和电解液之间的界面和电极表面或内部进行可逆的氧化还原反应储存电荷[7]，是一种新型、独特的电化学储能器件，它的出现填补了图1.1中传统电容器高比功率和电池的高比能量之间的空白[8]，具有独特的与之相符的应用场合。1.2超级电容器的结构和种类超级电容器的简化模型如下图1.2所示，主要由电极材料、电解液、隔膜和集流体这四部分组成[9-12]。其中电极材料由活性物质、导电剂、粘结剂三部分组成。目前主要的电极活性材料大概可以分为三类：碳材料、过渡金属氧化物/氢氧化物/硫化物等和导电聚合物，它们具有储存能量的作用，是超级电容器的重要组成部分。电解液主要有两种：水系电解液和有机电解液，在电荷传输过程中为超级电容器提供离子。隔膜主要有纤维素膜，聚丙烯膜等，具有导电且防止正负极接触导致短路的作用。集流体常用的有泡沫镍、导电玻璃、碳布等，是活性物质的负载基底，与外部电路连接在一起，能够降低超级电容器器件的内阻。图1.2超级电容器结构示意图Figure1.2Schematicdiagramofsupercapacitor
内蒙古大学硕士学位论文4（2）赝电容电容器赝电容电容器，又称为法拉第准电容器，是指在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或者氧化/还原反应，从而产生法拉第电容[16,17]。法拉第电容不仅会在电极材料表面产生，而且材料内部一定范围也会产生，这样大大提高了活性材料的利用效率，因此赝电容电容器的电容量通常高达双电层电容器的数十倍，并在能量密度方面遥遥领先。赝电容材料一般可分为两类，首先是过渡金属氧化物，如RuO2、MnO2、NiO等，这类活性物质是充电时在外加电场的作用下，电解液中的离子（通常为+或）从溶液中扩散到电极/电解液界面，通过发生界面电化学反应：surfacexsurfaceMxHMOeHO)()(1++→++（1-1）进入到电极表面活性物质的体相中，当放电时，扩散到电极/电解液界面的离子会重新回到电解液中，同时将储存的能量通过外界电路释放出来[18]。另外一类则是导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和聚乙烯二氧噻吩等。这类活性物质是通过发生快速可逆的n型或p型掺杂-去掺杂氧化还原反应从而进行电荷储存和释放，产生法拉第电容完成能量储存和释放。从电化学的角度来看，赝电容的储能机制可以分为三类，如图1.3（b,c,d）所示，分别为欠电位沉积、氧化还原赝电容和嵌入赝电容。欠电位沉积是在两种不同金属之间发生的一图1.3(a)双电层电容器，(b)欠电位沉积，(c)氧化还原赝电容，(d)嵌入赝电容的工作原理示意图Figure1.3Schematicdiagramof(a)electricdoublelayercapacitors,(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitance,and(d)intercalationpseudocapacitance
【参考文献】：
博士论文
[1]石墨烯的制备及在超级电容器中的应用[D]. 吴洪鹏.北京交通大学 2012
[2]超级电容器及其相关材料的研究[D]. 李会巧.复旦大学 2008
硕士论文
[1]聚苯胺超级电容器材料的性能研究与应用[D]. 姚舜.安徽理工大学 2019
[2]纳米结构硅酸锰电极材料的制备与性能研究[D]. 田琛.内蒙古大学 2019
本文编号：3405237
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