超级电容器先进电极材料的可控制备及电化学性能研究

发布时间：2020-07-12 05:14

【摘要】：解决能源短缺和环境恶化问题的最有效途径是寻找和开发可再生的清洁能源,如风能和太阳能等。在新能源的开发利用中,必然涉及和需要各种储能装置,其中超级电容器(或电化学电容器)因功率密度大(10 kW kg~(-1))、充放电快速、循环寿命长(100000cycles)、安全等优点而具有广阔的应用前景。但目前的商业超级电容器(活性炭及其复合材料)能量密度低(3~6 Wh kg~(-1)),无法满足电站调峰、工业大设备和电动汽车等的需求。因此,研发高能量密度的超级电容器迫在眉睫。解决超级电容器能量密度问题的关键是提高电极材料的比电容和器件的工作电压。本文通过设计合理的合成路线制备了比表面积高、孔径大小合适、具有多种形貌和分级结构的电极材料,并用循环伏安、恒电流充放电和电化学阻抗谱等方法研究了它们的电化学电容性能,具体如下:(1)采用简易两步法,先以硝酸钴、硝酸镍、尿素为原料,通过水解反应得到含钴和镍的前驱体[(Ni_(1-x)Co_x)OH_2](CO_3~(2-))_(x/2)·nH_2O,再经煅烧得到NiCo_2O_4。SEM、XRD和BET等表征表明,NiCo_2O_4是结晶度较低、大小为2~3μm的微球,表面具有海胆状形貌和分级结构,比表面积为224 m~2 g~(-1)。电化学测试结果表明,当电流密度为1 A g~(-1)时,制备材料的比电容为1167 F g~(-1);当电流密度增加到20 A g~(-1)时,比电容为1087 F g~(-1),电容保持率为93%。在10 A g~(-1)的电流密度下经过3000次充放电循环后,材料的比电容从1095F g~(-1)衰减到967 F g~(-1),电容保持率为88.5%。(2)采用直接水热法在泡沫镍表面原位生长NiCo_2O_4,制备了无粘结剂的电极NiCo_2O_4/NF。SEM和XRD表征结果表明,NiCo_2O_4像“海马齿草”一样生长在泡沫镍表面,长度约为1μm,宽度为100 nm左右,为尖晶石晶相。电化学测试结果表明,在电流密度为1 A g~(-1)时,NiCo_2O_4/NF电极的比电容为1349 F g~(-1);在10 A g~(-1)的电流密度下经过3000次充放电循环后,电极的比电容为1152 F g~(-1),电容保持率为85.4%。(3)以荔枝壳为碳源,在过氧化氢和醋酸混合溶液中进行水热处理,然后经高温碳化,制备了荔枝壳碳材料。SEM、BET和红外光谱等表征结果表明,制备的荔枝壳碳材料表面呈现海绵状形貌,比表面积约为1037 m~2 g~(-1),富含羰基和羟基等基团。电化学测试结果表明,在1 A g~(-1)电流密度下荔枝壳碳材料的比电容为228 F g~(-1),经20000次充放电循环,其电容值仍保持100%。以荔枝壳碳材料为负极,海胆状NiCo_2O_4材料为正极,PVA/KOH溶胶为电解质,组装成混杂型超级电容器器件,该器件的能量密度为54 Wh kg~(-1),功率密度为808 W kg~(-1);在5 A g~(-1)电流密度下经过15000次充放电循环测试,其容量衰减至初始值的50%。
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TM53
【图文】：

双电层模型

图 1-1. (a)Helmholtz 双电层模型；(b)Gouy-Chapman 双电层模型；(c)Stern 双电层模型在上面三种经典理论中，均认为电容器的理论电容与电极的比表面积成正比。而随料的不断创新，发展出的超级电容器有“电容电池”之称，对于现在多孔碳电容器，三种理论不再适用。因此，经过不断完善，提出 EDCC (electric double-cylinde

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