基于柔性超级电容储能材料的理论研究

发布时间：2020-06-07 00:28

【摘要】：柔性超级电容器作为一种可穿戴储能电子设备而广受关注。电极是超级电容器的重要组成部分,电极材料的性能直接影响超级电容器的储能本领。近年来,超级电容器电极材料的研究主要集中在电极材料的纳米化和复合化,其中以掺杂改性电极材料的研究为多。柔性超级电容器除需具备高功率密度、超长寿命、快充放电等超级电容器的储能特性外,还要兼顾可穿戴、小型化、柔性、便携、安全等特点,所以柔性超级电容器电极材料的选择更具挑战。本文以锰掺杂镍基杂化柔性电极为研究对象,采用密度泛函理论计算与电化学实验验证相结合的方法,研究了柔性超级电容电极材料的储能性能及其物理微观机理,旨在为柔性超级电容器的研究及实用化提供更多的物理依据和理论参考。首先,初步建立了MnO和NiOOH的晶体模型,对其进行结构优化,并将其与文献报道的晶格常数进行了对比,以验证其可靠性。其次,基于优化后的MnO和NiOOH单晶结构模型,建立了Mn-NiOOH@Ni和Mn-NiOOH@C模型,用以分别模拟镍和碳布为基底的电极材料。采用第一性原理分别计算了二者的能带结构和电子态密度,进而揭示了锰掺杂改性对于提高电极材料储能性能的物理机制。为了校验上述理论模型的准确性,本文还通过水热法制备了锰掺杂的镍基材料,利用涂覆法制成了Mn-NiOOHNi电极。对电极材料进行了XRD、SEM和EDS等结构表征,结果与理论模型预测的结构一致。接着,利用曲面积分法考察了不同掺杂对Mn-NiOOHNi电极储能性能的影响,从而确定了锰掺杂的镍基材料的最佳制备条件。最后,制备了基于碳布的柔性电极,并将其组装成柔性超级电容器,通过对其测试结果和计算结果的对比,成功验证计算结果的可靠性和准确性,为柔性超级电容储能材料的理论研究提供了支持。
【图文】：

前言 世纪以来，世界经济和科技得到了迅猛的发展，随之而来的环境恶化和问题日益凸显。解决这些问题必须寻求新型绿色储能器件。超级电容apacitors，SCs)由于其充电速度快、循环寿命长及绿色环保等优点而备注。超级电容器也被称作电化学电容器(Electrochemical capacitors，ECs介于二次电池和普通电容器的一种新型储能器件。其具备比二次电池更优密度和循环寿命，且具有比普通电容器更优异的能量密度等特点。级电容器有很多不同的分类方法：按正负电极的相同与否可以分为对称型器（Symmertric supercapacitors）和不对称型超级电容器（Asymmepacitors）[2]；按电解液的化学成分不同，可以分为有机系超级电容器和容器；按超级电容器的组成部分（主要是电解液）的形态不同，可区分固态超级电容器。双电层超级电容器主要靠电极剩余电荷的静电作用完容的储能主要靠电子迁移完成，这个过程中电活性材料发生了化学反应或应，这种能量储存是间接的[3-5]。

图 1-2 国内超电技术专利年申请量和公开量[6]超级电容器相关技术一直是储能领域研究的热点之一，图 1-1 和图 1-2 分别呈现了国外和国内超级电容器技术专利申请量和公开量[6]。超级电容器的研究始于上世纪 90 年代，近年来研发热度持续高涨。国外超级电容器技术发展相对较成熟，，商业化程度高，自 2010 后，超级电容的专利申请量明显下降。但是我国超级电容器的研究起步较晚，具有自主知识产权的超级电容器寥寥可数，且与国外超级电容器相比，性能差距仍较大。因此，研发性能优良且具有自主知识产权的超级电容器，对我国储能技术的整体发展和应用具有重要意义。柔性超级电容器是近年来随着柔性电子设备的发展而备受研究者瞩目的可穿戴便携式储能电子器件。灵活耐用的柔性超级电容器不仅具有高功率密度、快速充放电、超长循环寿命等超级电容器的性质，而且还具有灵活、可穿戴、高稳定性、低成本、体积小、机械性能好等柔性电子设备的特点。然而，柔性可穿戴超级电容器的开发还面临着一系列科学和技术上的难题。例如
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB34

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本文编号：2700520