新型共价有机框架基材料的设计合成及其储能性能研究
发布时间：2022-01-15 01:30
超级电容器由于功率密度高、循环寿命长等优点,在混合动力汽车、电网储能以及国防装备等领域具有广泛的应用。然而,与二次电池相比,超级电容器的能量密度要低几个数量级,这种储能特性方面的劣势限制了其进一步发展。因此,在保持超级电容器固有性能优势的前提下,提高其能量密度具有重要的研究意义。其中,共价有机框架（Covalent Organic Frameworks,COFs）是一类由轻质元素（H、B、C、N、O等）组成的新兴多孔聚合物。相比于其它无机材料,COFs具有高度有序的排列骨架和优异的化学稳定性。此外,研究者们可以通过改变COFs构筑单元实现不同功能COFs材料的设计。尽管COFs材料表现出了明显的结构优势,但大部分COFs微观无定形且固有电导率较低,导致其储能潜力难以发挥。鉴于此,通过调配反应溶剂比例并对COFs成核过程施加外力,本论文实现了COFs微观形貌的精确调控。与此同时,为了充分发挥蒽醌基COFs的储能性能,我们通过两种合成策略（共价功能化和非共价功能化）将COFs与不同类型的碳基材料（石墨烯和多壁碳纳米管）进行了结合。主要内容概述如下:（1）COFs的形成主要基于动态共价可逆反...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能器件功率密度和能量密度关系图
第1章绪论21.2超级电容器超级电容器是介于二次电池与传统平行板电容器之间的一种高效、环保的新型储能装置。与电池相比，其充电速度只需要几秒钟就可以完成。不仅如此，超级电容器的功率密度远高于传统的电容器，且在相同体积下，其容量远大于电解电容器。除此之外，其长循环寿命和高性能稳定性使得超级电容器在新能源汽车等新能源领域受到广泛的应用。结构如图1.2所示，超级电容器主要由外壳、电极材料、集流体、电解质和隔膜构成。十八世纪荷兰物理学家Musschenbroek发明出电容器，开拓了电容器行业的发展。1957年，美国通用电气公司申请了首个双电层电容器的专利[20]。直到1975年，Conway发明出利用氧化钌为电极的赝电容器，提出了“超级电容器”这一概念。经过近50年的历史沉淀，随着人们对于高功率、节能环保、安全可靠的能量存储装置需求不断提高，超级电容器相关的电极材料和电解质的研究不断取得突破，并得到了社会各界的广泛认可和关注[21,22]。图1-2超级电容器的结构示意图Fig.1-2Schematicdiagramofsupercapacitor1.2.1超级电容器的分类如图1-3所示，根据电荷储存机理不同，超级电容器可以分为双电层电容器(electricdoublelayercapacitor,EDLC)、赝电容电容器(pseudocapacitor)。前者电能的存储通过电荷在材料与电解质界面的吸附来实现，后者一般通过过渡金属氧化物与聚合物表面的可逆氧化还原反应来产生赝电容[23-27]。通常来讲，赝电容器能够获得比双电层电容器更大的比电容[28]。
第1章绪论3图1-3电荷存储机制的示意图：(a)双电层电容电容器，(b)欠电位沉积，(c)氧化还原赝电容器和(d)离子插层赝电容器。Fig.1-3Schematicsofcharge-storagemechanismsfor:(a)anEDLC,(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)intercalationpseudocapacitor.1.2.1.1双电层电容器如图1-13所示，双电层电容器通过电解液与电极材料界面的双电层来储能，电解质离子可逆地吸附在活性材料上。双电层的概念始于19世纪，由德国物理学家Helmholtz提出：电极浸入离子电解质溶液中时，电荷会与溶液中带相反电荷的离子紧密排列，在界面内形成电量相等、电荷相反的正、负电荷层[29,30]，如图1-4(a)。由于电极／电解质界面处发生的极化导致电荷分离。在极化条件下，产生双电层比电容C的计算公式如下[31-34]：C=0/(1)其中，A为电解质与电极的接触面积，代表相对介电常数，0是真空介电常数，d代表双电层的有效厚度，通常近似为Debye距离。考虑到带电粒子受到扩散力与静电力的影响，吸附在双电层上的电荷将通过热运动离开凝聚层。Gouy[35]和Ghapamn[36]提出了以此为基础的双电层模型，如图1-4(b)所示。随着认识的不断深入，Stern等人[37]结合以上两种模型对双电层模型进行了优化，如图1-4(c)。因此，双电层电容（Cdl）可以看作是由紧密层电容（CH）与扩散层电容（Cdiff）串联而成的，其电容可以表示为：1=1+1(2)基于以上理论，电解液与电极材料界面的双电层可用于存储能量。当外加电压施加于正负极时，电解质中的电荷由于异电荷相吸发生定向移动。由于电极之间在充电过程中存在一个小于电解液分解值的电压，带电离子将向与自身电荷相反的方向移动导致电荷快速分布于正负极与电解质界面交界处，产生致密的双电层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器电解质研究进展[J]. 杨贺珍,冉奋. 材料导报. 2018(21)
[2]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[3]石墨烯基超级电容器研究进展[J]. 杨德志,沈佳妮,杨晓伟,马紫峰. 储能科学与技术. 2014(01)
[4]超级电容器及应用探讨[J]. 张琦,王金全. 电气技术. 2007(08)
硕士论文
[1]二维层状材料及其复合材料的制备与电化学储能研究[D]. 苏当成.郑州轻工业学院 2018
[2]超级电容器用新型多孔碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 吴春.湘潭大学 2014
本文编号：3589620
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同储能器件功率密度和能量密度关系图
第1章绪论21.2超级电容器超级电容器是介于二次电池与传统平行板电容器之间的一种高效、环保的新型储能装置。与电池相比，其充电速度只需要几秒钟就可以完成。不仅如此，超级电容器的功率密度远高于传统的电容器，且在相同体积下，其容量远大于电解电容器。除此之外，其长循环寿命和高性能稳定性使得超级电容器在新能源汽车等新能源领域受到广泛的应用。结构如图1.2所示，超级电容器主要由外壳、电极材料、集流体、电解质和隔膜构成。十八世纪荷兰物理学家Musschenbroek发明出电容器，开拓了电容器行业的发展。1957年，美国通用电气公司申请了首个双电层电容器的专利[20]。直到1975年，Conway发明出利用氧化钌为电极的赝电容器，提出了“超级电容器”这一概念。经过近50年的历史沉淀，随着人们对于高功率、节能环保、安全可靠的能量存储装置需求不断提高，超级电容器相关的电极材料和电解质的研究不断取得突破，并得到了社会各界的广泛认可和关注[21,22]。图1-2超级电容器的结构示意图Fig.1-2Schematicdiagramofsupercapacitor1.2.1超级电容器的分类如图1-3所示，根据电荷储存机理不同，超级电容器可以分为双电层电容器(electricdoublelayercapacitor,EDLC)、赝电容电容器(pseudocapacitor)。前者电能的存储通过电荷在材料与电解质界面的吸附来实现，后者一般通过过渡金属氧化物与聚合物表面的可逆氧化还原反应来产生赝电容[23-27]。通常来讲，赝电容器能够获得比双电层电容器更大的比电容[28]。
第1章绪论3图1-3电荷存储机制的示意图：(a)双电层电容电容器，(b)欠电位沉积，(c)氧化还原赝电容器和(d)离子插层赝电容器。Fig.1-3Schematicsofcharge-storagemechanismsfor:(a)anEDLC,(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)intercalationpseudocapacitor.1.2.1.1双电层电容器如图1-13所示，双电层电容器通过电解液与电极材料界面的双电层来储能，电解质离子可逆地吸附在活性材料上。双电层的概念始于19世纪，由德国物理学家Helmholtz提出：电极浸入离子电解质溶液中时，电荷会与溶液中带相反电荷的离子紧密排列，在界面内形成电量相等、电荷相反的正、负电荷层[29,30]，如图1-4(a)。由于电极／电解质界面处发生的极化导致电荷分离。在极化条件下，产生双电层比电容C的计算公式如下[31-34]：C=0/(1)其中，A为电解质与电极的接触面积，代表相对介电常数，0是真空介电常数，d代表双电层的有效厚度，通常近似为Debye距离。考虑到带电粒子受到扩散力与静电力的影响，吸附在双电层上的电荷将通过热运动离开凝聚层。Gouy[35]和Ghapamn[36]提出了以此为基础的双电层模型，如图1-4(b)所示。随着认识的不断深入，Stern等人[37]结合以上两种模型对双电层模型进行了优化，如图1-4(c)。因此，双电层电容（Cdl）可以看作是由紧密层电容（CH）与扩散层电容（Cdiff）串联而成的，其电容可以表示为：1=1+1(2)基于以上理论，电解液与电极材料界面的双电层可用于存储能量。当外加电压施加于正负极时，电解质中的电荷由于异电荷相吸发生定向移动。由于电极之间在充电过程中存在一个小于电解液分解值的电压，带电离子将向与自身电荷相反的方向移动导致电荷快速分布于正负极与电解质界面交界处，产生致密的双电层。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器电解质研究进展[J]. 杨贺珍,冉奋. 材料导报. 2018(21)
[2]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
[3]石墨烯基超级电容器研究进展[J]. 杨德志,沈佳妮,杨晓伟,马紫峰. 储能科学与技术. 2014(01)
[4]超级电容器及应用探讨[J]. 张琦,王金全. 电气技术. 2007(08)
硕士论文
[1]二维层状材料及其复合材料的制备与电化学储能研究[D]. 苏当成.郑州轻工业学院 2018
[2]超级电容器用新型多孔碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 吴春.湘潭大学 2014
本文编号：3589620
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