多孔碳材料的电容特性及其在锌碳电化学储能装置中的混合储能性能研究

发布时间：2017-10-18 16:06

  本文关键词：多孔碳材料的电容特性及其在锌碳电化学储能装置中的混合储能性能研究

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【摘要】：现代电子移动设备和电动汽车的快速发展,对动力电源的储能密度和充放电速度提出了更高的要求。本论文针对超级电容器的充放电速度快但能量密度较低,而二次电池的循环寿命相对较短和充放电速度慢等问题,提出并研究了以电沉积锌为负极、多孔电容碳为正极的新型电化学装置,该装置综合了二次电池与超级电容器的优点,表现出了充放电速度快、比容量大和循环寿命长等优越的电化学性能。围绕锌碳电化学储能装置正负极材料特性及其电极过程,本论文的主要研究内容如下：本论文首先利用三电极体系研究了锌离子在铜箔上的电沉积过程,并随后利用SEM、XRD、恒流充放电、Tafel、CV及EIS等测试方法研究了KOH浓度、ZnO浓度、电解液温度和电流密度等因素对电沉积锌电极电化学性能的影响。实验结果表明,适合电沉积锌电极工作最佳的电解液组成为：6 mol L-1KOH+0.4 mol L-1ZnO,该锌电极在20 mV s-1的扫描速度下,在1000次循环伏安过程中,其循环曲线几乎重合在一起,表明电沉积锌电极具有优越的电化学性能。本论文同时利用三电极体系,借助SEM、TEM、XRD、恒流充放电、CV及EIS等测试方法考察了多种碳材料在碱性ZnO溶液中的电化学性能。研究结果表明,多孔电容碳是碱性ZnO溶液中最佳的正极材料。该碳电极在电流密度为1000 mA g-1和6 mol L-1KOH条件下,其最佳的电压窗口为0.4-1.4 V,提供了高达312 F g-1的比电容和长达10000次以上循环寿命。在此基础上,本论文利用多孔碳电极与电沉积锌电极组装成锌碳储能装置,较系统研究了电极片厚度、电解液浓度、工作温度等因素对其电化学性能的影响。优化实验表明,该电化学储能装置具有3.6 s超快充电接受能力和高达20000次以上的循环寿命。
【关键词】：电容碳 电沉积锌电极 锌碳电化学储能装置 快速充放电
【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】：TQ127.11;TM912;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-33
• 1.1 引言15
• 1.2 二次电池概述15-22
• 1.2.1 铅酸蓄电池15-16
• 1.2.2 镍镉电池16-17
• 1.2.3 镍氢电池17-19
• 1.2.4 锂离子电池19-22
• 1.3 超级电容器概述22-31
• 1.3.1 超级电容器发展现状23
• 1.3.2 超级电容器的原理和分类23-25
• 1.3.3 超级电容器的电极材料25-31
• 1.3.4 非对称超级电容器概况31
• 1.4 论文选题的意义与研究内容31-33
• 1.4.1 选题目的31-32
• 1.4.2 本论文的主要研究内容32-33
• 第二章 实验仪器及原理33-43
• 2.1 实验仪器与药品33-34
• 2.1.1 实验药品33-34
• 2.1.2 实验仪器设备34
• 2.2 实验步骤34-35
• 2.2.1 饱和了ZnO的KOH溶液的制备34-35
• 2.2.2. 溶解了一定浓度ZnO的KOH溶液的制备35
• 2.2.3. 碳正极的制备35
• 2.2.4. 锌负极的制备35
• 2.3 主要测试方法及其原理35-43
• 2.3.1 X射线衍射(XRD)36
• 2.3.2 透射电镜(TEM)36
• 2.3.3 扫描电镜(SEM)36-37
• 2.3.4. 比表面积和孔结构测定(BET)37
• 2.3.5 恒电流充放电法37-39
• 2.3.6 循环伏安测试39-40
• 2.3.7 交流阻抗40-41
• 2.3.8. 阴极极化曲线(Tafel)41-43
• 第三章 锌电极性能研究43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 锌电极的制备及表征43-48
• 3.2.0 锌电极的制备43-45
• 3.2.1 添加剂对电沉积锌电极的影响45
• 3.2.2 XRD测试45-47
• 3.2.3 SEM与EDS测试47-48
• 3.3 锌电极的电化学性质48-53
• 3.3.1 ZnO浓度对锌电极的影响48-50
• 3.3.2 KOH浓度对锌电极的影响50-52
• 3.3.3 温度对锌电极的影响52-53
• 3.4 锌电极优化后的性能53-58
• 3.4.1. 不同扫速下的CV曲线53-55
• 3.4.2. 不同电流密度下的充放电曲线55-56
• 3.4.3. 不同循环次数下的CV曲线56-58
• 3.5 本章小结58-59
• 第四章 多孔碳材料性能研究59-79
• 4.1 引言59
• 4.2 多孔碳材料的表征59-65
• 4.2.1 多孔碳的XRD测试59-60
• 4.2.2 N_2的吸附脱附和孔径分布60-62
• 4.2.4 多孔碳的SEM与TEM图62-63
• 4.2.5 多孔碳电极的电化学性质63-65
• 4.3 单因素试验65-74
• 4.3.1. 不同碳材料的影响65-66
• 4.3.2 不同电压区间66-68
• 4.3.3 不同电解液浓度68-70
• 4.3.4 不同电极片厚度70
• 4.3.5 不同多孔碳含量70-72
• 4.3.6 不同温度72-74
• 4.4 优化后多孔碳电极性质74-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第五章 锌碳电化学储能装置的性能研究79-95
• 5.1 前言79-80
• 5.2 锌碳电化学储能装置的电化学性能研究80-84
• 5.2.1 不同正极片厚度的影响80-82
• 5.2.2 不同电解液浓度82
• 5.2.3 不同温度82-83
• 5.2.4 不同多孔碳含量83-84
• 5.3 锌碳电化学储能装置性质84-87
• 5.3.1 锌碳电化学储能装置寿命84-86
• 5.3.2 锌碳电化学储能装置自放电测试86-87
• 5.4 锌碳与碳碳超级电容器比较87-90
• 5.5 锌碳电化学储能装置与世界上先进的电化学储能装置的比较90-93
• 5.6 本章小结93-95
• 第六章 总结95-97
• 参考文献97-103
• 致谢103-105
• 研究成果及发表的学术论文105-107
• 作者及导师简介107-108
• 附件108-109

【参考文献】

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