微纳孔结构电极超级电容器的储能机理分子动力学模拟研究

发布时间：2020-04-19 11:28

【摘要】：新能源近年来发展迅速,但是由于其间歇性的特点,需要配套高性能的储能装置。超级电容器由于其优异的性能被认为是具有良好发展前景的新型储能装置。已有的研究表明电极的微纳孔道结构将极大地影响超级电容的性能,因此寻找孔道结构具有高度可控性的高性能电极材料能极大地推进超级电容器的应用。本文运用分子动力学模拟的方法,深入研究了具有不同微纳孔结构电极的超级电容的储能机理,希望能对寻找可控孔道结构的高性能电极材料有所助益。本文研究了具有柱状孔、狭缝型孔和六角形表面孔三种具有不同的微纳孔结构电极,在模拟中分别用单层碳纳米管、石墨烯和导电金属有机框架材料来对应实现。在对具有柱状孔碳纳米管电极的研究中,发现负极具有更高的微分电容数值,指出离子与水分子的相互作用决定了这一特点;在对具有狭缝型孔的石墨烯电极的研究中,提出水与离子的相互作用会减小电极表面净电荷量的积累,从而抵消了孔径减小对电容的增长效果;在对具有六角形表面孔的导电性金属有机框架材料电极的研究中,分析了双电层离散分布的结构,通过对电荷屏蔽因子的计算发现更大的孔径更加有利于容纳略微超过电极电荷量的净电荷,分析了不同电压下的离子交换机制。简而言之,本文在研究过程对具有不同微纳孔结构的电极材料进行了模拟计算,探究了上述电极材料与电解质形成的固液界面,研究了充电过程中的离子交换机制。通过对比各种电极材料的比电容等性能表现后,发现导电性金属有机框架材料具有与石墨烯相当的性能。考虑到导电金属有机框架材料孔径可调的特性,该材料有望用于制备出具有更高能量密度的超级电容器。
【图文】：

超级电容分为双电层电容(Electrical Double Layer Capacitor, EDLC)和赝电容sudocapacitor)两种。超级电容的结构主要由电极材料、集流体、隔膜和电解质组其中常见的双电层电容结构如图 1-1 所示，双电层电容不涉及氧化还原反应，离会嵌入电极材料中，而赝电容会发生离子嵌入/脱出电极材料的行为。超级电容和电解质材料的选择十分重要，目前可用作超级电容电极材料[15,16]的主要包括类碳材料，如活性炭(AC)[17,18]、碳化物衍生碳(CDC)[19-21]、碳纳米管(CNT)[22,23]、烯[24-26]等等，是超级电容器中目前使用最广泛的材料；(2)过渡金属氧化物，如化铑(RuO2)[27, 28]、二氧化锰(MnO2)[29-31]等等，过渡金属氧化物多用于赝电容和型超级电容；(3)导电聚合物[32-38]，，本文涉及的导电金属有机框架材料[35-38]即是一类。超级电容器中所用的电解质[39]可分为液态电解质、固态或者准固态电解氧化还原活性电解质三类，其中液态电解质又可以分为水系电解质[40-43]、有机溶解质[44-46]、离子液体[47-51]等几类电解质。

4图 1-2 超级电容器、传统电容、电池性能比较[52]的能量密度公式为：221E ACV，E 为超级电容器的能量密度，A 为电极的有效比表面积，C 为超V 为超级电容器的电压。从公式(1.1)可见，提高超级电容器的电压手：(1) 提高电极的有效比表面积，高度扩展并具有大量空隙结构与电解质中的离子充分接触，从而储存更多的电荷，这也是目前碳原因，而金属有机框架材料具有相当大的比表面积（最大的[54]超
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 王鹏;王晗;张建文;蔡旭;韩正之;;超级电容储能系统在风电系统低电压穿越中的设计及应用[J];中国电机工程学报;2014年10期

2 徐世晓,赵新全,孙平,赵同标,赵伟;温室效应与全球气候变暖[J];青海师范大学学报(自然科学版);2001年04期

本文编号：2633253