高性能水系不对称超级电容器新型负极材料的研究

发布时间：2017-08-02 13:10

  本文关键词：高性能水系不对称超级电容器新型负极材料的研究

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【摘要】：超级电容器,也被称作电化学电容器,其作为很多设备的储能系统已经引起很大的关注。例如手提电子器件和电动车辆上的应用,得益于超级电容器的高功率密度,快速充放电,优越的循环稳定性,以及低维护成本等所需的特性。然而,要满足各种在各种电子器件上的实际应用,目前的超级电容器的能量密度还需要在不牺牲其功率密度的基础上很大的提高。根据能量密度计算公式E=1/2C沪,超级电容器的单位比能量(E)可以通过提高其输出电压(V)或者单位比电容(C)来提高。提高超级电容器工作电压的一种直接有效的方法就是使用离子液体或者有机电解液,但是由于其离子电导率低,循环寿命短,而且有毒性,这使得它们在实际应用中不常用。另一种更加令人满意的策略就是构建不对称超级电容器,并使用离子传输快的环境友好的水系电解液。用成本低、环保的水系电解液组装不对称超级电容器是一种很有前景的新方向。对于不对称超级电容器,具有良好独立电势窗口的不同的负极和正极电极材料用来匹配,以使不对称超级电容器的输出电压达到最大化。很多研究者选择过渡金属氧化物作为正极,选择碳基材料作为负极去组装不对称超级电容器。在中性水系电解液中,二氧化锰(Mn02)基材料由于其在正电势窗口下优越的电化学性能,已经发展成一种出色的不对称超级电容器正极材料。然而,大部分不对称超级电容器的负极材料仍然使用的是活性炭(AC),这使得其能量密度得不到更多的提高。在高能量密度不对称超级电容器中,高比电容的负极材料的开发仍然面临巨大的考验。这里,我们的第一个工作是通过水热法合成制备了铁酸锰/石墨烯(MnFe2O4/G)纳米复合材料,通过微观结构和电化学测试分析,也显示出了其是一种很具有前景的不对称超级电容器负极材料。我们用铁酸锰/石墨烯(MnFe2O4/G)纳米复合材料作负极,用二氧化锰/碳纳米管(MnO2/CNT)纳米复合材料作正极,1 mol L-1的硫酸钠溶液作电解液,组装了一种1.8 V的不对称超级电容器。其在功率密度为225 Wkg-1时,能量密度达到了25.9 Wh kg-1;其功率密度达到14.4 kWkg-1的时候,仍然保持着18.11Whkg-1的很高的能量密度。除了高的能量密度和功率密度外,MnFe2O4/G//MnO2/CNT不对称超级电容器表现出了优异的倍率性能和良好的循环稳定性能。氧化铁,尽管被认为是一种很具前景的的不对称超级电容器负极材料,但氧化铁基电极的比电容比较低,而不能很好地用于全电容中与正极相匹配。在我们的第二个主要工作中,通过一种简易可行的方法,制备了由分散良好的氧化铁量子点(大约2nm)负载在热剥离的石墨烯片层上构成的复合材料。在lmol L-1的硫酸钠溶液中,制备的氧化铁/热剥离石墨烯复合材料的比电容在-1到0V(相对于Ag/AgCl参比电极)的电压区间可达到347Fg-1。我们还利用制备的氧化铁量子点/热剥离石墨烯作负极、二氧化锰/热剥离石墨烯作正极、lmol L-1的硫酸钠溶液作电解液,组装了一种2 V的不对称超级电容器。这种不对称超级电容器在功率密度为100 W kg-1时,可以达到50.7 Wh kg-1的高能量密度,同时其还具有优越的循环稳定性和功率容量。氧化铁量子点/热剥离石墨烯复合材料,得益于其简易可行的合成方法以及优越的超电容性能,都使其成为了一种很具前景的高性能不对称超级电容器的负极材料。
【关键词】：不对称超级电容器 水系电解液 能量密度 铁酸锰 氧化铁 量子点 石墨烯 纳米复合材料 负极
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 超级电容器简介9-13
• 1.1.1 超级电容器的发展历史10-11
• 1.1.2 超级电容器的结构11-12
• 1.1.3 超级电容器的优点12-13
• 1.2 超级电容器的能量储存机理及分类13-17
• 1.2.1 双电层电容器14
• 1.2.2 法拉第赝电容器14-15
• 1.2.3 不对称超级电容器15-17
• 1.3 超级电容器电极材料17-19
• 1.3.1 碳结构电极材料17-18
• 1.3.2 导电聚合物电极材料18
• 1.3.3 金属氧化物电极材料18-19
• 1.5 本论文研究目的和内容19-21
• 1.5.1 研究目的19-20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 2 实验方法及原理21-28
• 2.1 实验药品及仪器设备21-22
• 2.2 材料的物性表征22-24
• 2.2.1 X射线衍射仪(XRD)22
• 2.2.2 拉曼光谱仪(Raman)22-23
• 2.2.3 氮吸附测试仪23
• 2.2.4 热重分析仪(TGA)23
• 2.2.5 扫描电子显微镜(SEM)23
• 2.2.6 透射电子显微镜(TEM)23-24
• 2.3 材料的电化学性能测试24-26
• 2.3.1 循环伏安测试(CV)25
• 2.3.2 恒流充放电测试(GCD)25-26
• 2.3.3 交流阻抗测试(EIS)26
• 2.4 电化学相关数据的计算26-28
• 2.4.1 单电极比容量计算26
• 2.4.2 不对称电容器比容量、能量密度、功率密度计算26-28
• 3 铁酸锰/石墨烯复合材料的制备及研究28-34
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28-29
• 3.3 材料的晶体学和微观结构表征29-31
• 3.4 电化学性能分析31-33
• 3.5 本章小节33-34
• 4 氧化铁量子点/热剥离石墨烯复合材料的制备及研究34-49
• 4.1 引言34-35
• 4.2 实验部分35-36
• 4.3 材料的晶体学和微观结构表征36-42
• 4.4 电化学性能测试42-47
• 4.5 本章小结47-49
• 5 结论及工作展望49-51
• 5.1 结论49
• 5.2 工作展望49-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-62
• 附录62

【参考文献】

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本文编号：609435