基于石墨烯基炭气凝胶的锂离子电容器研究

发布时间：2017-09-23 12:26

  本文关键词：基于石墨烯基炭气凝胶的锂离子电容器研究

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【摘要】：作为一种新型的高性能储能装置,锂离子电容器(LIC)由于展现出了比超级电容器更高的能量密度和比锂离子电池更高的功率密度,兼具了二者的双重优点,因此近年来受到了研究者的广泛关注。众所周知,储能器件的性能主要取决于电极材料,因此开发新的电极材料或者是对已有电极材料进行改性,已经成为当前的研究热点。石墨烯基炭气凝胶由于具有连续的三维网络结构、发达的孔隙率以及优异的导电导热性等特点,所以常常被开发应用于双电层电容器。基于此,本课题从LIC多孔炭正极材料入手,期望通过对石墨烯基炭气凝胶进行改性处理后,得到比表面积高、孔径结构丰富的电极材料,并将其与制备的纳米片状钛酸锂(LTO)分别作为正负极,组装得到性能优异的LIC。主要的研究成果如下：1、通过溶胶-凝胶法合成了石墨烯基炭气凝胶(GA),并对其进行了不同比例的KOH活化处理。结果表明,经过KOH活化后,在材料的表面产生了丰富的孔隙结构,其比表面积显著增大,并且随着KOH比例的增大,比表面积也逐步增大。当KOH与GA的活化比例为4时,其电化学性能最优,半电池比容量相比活化之前提高了将近2.5倍,达到51.8mAh g-1,与LTO分别作为正负极材料组装成LIC后,测得其最大能量密度能达到55.8Wh kg-1。2、利用三聚氰胺和GA复合制备出氮掺杂石墨烯基复合炭气凝胶(NGA),并对其进行KOH活化处理。实验结果表明,经过一定比例的氮掺杂之后再进行KOH活化,可以显著的改善其孔隙结构,增大中孔所占的比表面积。同时,与a-GA-4半电池测试结果对比可知,在进行氮掺杂之后再活化,其半电池比容量由51.8mAh g-1增大到76mAh g-1,与LTO匹配组装成的LIC最大能量密度能达到70.2Whkg-1。这些结果表明大量的小中孔有利于电解液在材料内部的扩散,使得材料当中的微孔被充分利用,从而形成了更多的双电层,比容量随之增大,因此得到了性能更优的LIC。3、通过CO2活化法对GA内部结构和表面形貌进行了改性处理,研究了CO2的不同通气速率对其内部结构和电化学性能的影响。结果表明,CO2活化主要是增加材料表面的微孔和小中孔数量,并未对材料的主体结构产生影响。当CO2的通气速率为120mL/min时,活化所得样品的半电池比容量可以达到69.6 mAh g-1,将其与LTO分别作为正负极组装成LIC后,测得最大能量密度能达到66.8Wh kg-1。
【关键词】：锂离子电容器 石墨烯 炭气凝胶 KOH活化 氮掺杂 CO_2活化
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ427.26;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 引言15-16
• 1.2 锂离子电容器的工作原理16-21
• 1.2.1 超级电容器的工作原理16-18
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理18-20
• 1.2.3 锂离子电容器的工作原理20-21
• 1.3 锂离子电容器的特点及应用范围21-22
• 1.3.1 锂离子电容器的特点21
• 1.3.2 锂离子电容器的应用范围21-22
• 1.4 锂离子电容器电极材料22-25
• 1.4.1 锂离子电容器正极材料22-24
• 1.4.2 锂离子电容器负极材料24-25
• 1.5 本课题的选题依据及研究内容25-27
• 1.5.1 课题的选题依据25-26
• 1.5.2 课题的研究内容26-27
• 第二章 实验用药品仪器及测试方法27-33
• 2.1 主要原材料及测试仪器27-29
• 2.1.1 实验所用试剂及原材料27-28
• 2.1.2 实验所用仪器设备28-29
• 2.2 材料的形貌结构表征手段29
• 2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)29
• 2.2.2 X射线衍射(XRD)29
• 2.2.3 X射线光电子能谱(XPS)29
• 2.2.4 比表面积和孔径分布(BET)29
• 2.3 电极片的制备29-30
• 2.4 半电池和电容器的组装30
• 2.5 电化学性能测试30-33
• 2.5.1 恒流充放电测试30
• 2.5.2 循环伏安法测试30-33
• 第三章 KOH活化石墨烯基炭气凝胶的制备及其电化学性能研究33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验34-36
• 3.2.1 氧化石墨烯的制备34
• 3.2.2 石墨烯基炭气凝胶的制备34-35
• 3.2.3 KOH活化处理石墨烯基炭气凝胶35
• 3.2.4 钛酸锂的制备35-36
• 3.3 结果与讨论36-45
• 3.3.1 氧化石墨烯的形貌结构表征36-37
• 3.3.2 GA和a-GA-x的形貌分析37-38
• 3.3.3 GA和a-GA-x的结构分析38
• 3.3.4 GA和a-GA-x的比表面积及孔径分析38-40
• 3.3.5 GA和a-GA-x半电池的电化学性能测试40-41
• 3.3.6 钛酸锂的分析41-43
• 3.3.7 a-GA-4/a-GA-4和a-GA-4/LTO的电化学性能测试43-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 KOH活化氮掺杂石墨烯基炭气凝胶的制备及其电化学性能研究47-57
• 4.1 引言47-48
• 4.2 实验48
• 4.2.1 氮掺杂石墨烯基炭气凝胶的制备48
• 4.2.2 KOH活化处理氮掺杂石墨烯基炭气凝胶48
• 4.3 结果与讨论48-56
• 4.3.1 NGA和a-NGA的形貌分析48-49
• 4.3.2 NGA和a-NGA的结构分析49-50
• 4.3.3 NGA和a-NGA的X射线光电子能谱分析50-51
• 4.3.4 NGA和a-NGA的比表面积及孔径分析51-52
• 4.3.5 NGA和a-NGA半电池的电化学性能测试52-53
• 4.3.6 a-NGA/a-NGA和a-NGA/LTO的电化学性能测试53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 CO_2活化石墨烯基炭气凝胶的制备及其电化学性能研究57-67
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验58-59
• 5.2.1 石墨烯基炭气凝胶的制备58
• 5.2.2 CO_2活化处理石墨烯基炭气凝胶58-59
• 5.3 结果与讨论59-66
• 5.3.1 样品的形貌分析59-60
• 5.3.2 样品的结构分析60-61
• 5.3.3 样品的比表面积及孔径分析61-62
• 5.3.4 样品的半电池的电化学性能测试62-64
• 5.3.5 CO_2-0.5GA-60/LTO和CO_2-0.5GA-120/LTO的电化学性能测试64-66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 全文总结67-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 研究成果及发表论文77-79
• 作者和导师简介79-81
• 附件81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郑宗敏;张鹏;阎兴斌;;锂离子混合超级电容器电极材料研究进展[J];科学通报;2013年31期

2 PING LiNa;ZHENG JiaMing;SHI ZhiQiang;QI Jie;WANG ChengYang;;Electrochemical performance of MCMB/(AC+LiFePO_4) lithium-ion capacitors[J];Chinese Science Bulletin;2013年06期

3 盛文;;混合动力车用锂离子电容器的开发[J];汽车与配件;2011年35期

4 庄新国,杨裕生,嵇友菊,杨冬平,唐致远;超级电容器炭电极材料孔结构对其性能的影响[J];物理化学学报;2003年08期

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本文编号：905257