三维多孔复合电极材料的设计合成及其在超级电容器中的应用研究

发布时间：2017-11-07 01:39

  本文关键词：三维多孔复合电极材料的设计合成及其在超级电容器中的应用研究

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【摘要】：随着化石燃料的逐渐消耗,能源危机问题日益严重,新能源(太阳能、风能和潮汐能等),但是如何高效利用和转化这些清洁能源仍存在很多问题。因此,开发可持续的高能量储存和转化设备(如可充电循环的二次电池和超级电容器等)引起科研者的广泛关注。其中,超级电容器因其高功率密度、超长循环稳定性、较宽温度使用范围以及快速充放电等优点,成为新型能源储存设备的研究热点。在航空航天、交通设施、通讯等电子器件以及混合动力汽车等领域具有潜在应用前景。能量密度、倍率性能以及循环稳定性等是衡量超级电容器否能用于实际生活中的重要电化学参数。因此,科研者在电极材料改性方面也进行了很长时间的探索研究。具体方法包括：通过物理、化学作用制备高导电性的石墨烯、碳纳米管等复合电极材料；通过调控二维或三维多孔的形貌结构实现大的比表面积电极材料的制备,增加其在电解液中的活性位点,实现高比容量和良好循环稳定性能的超级电容器；以生物质为原材料一如杂原子掺杂的活性电极材料的制备实现兼具双电层和赝电容行为,同时还可以拓宽电压测试窗口提高电容器的能量密度。基于上述思想,在本论文中,我们成功制备高比容量、良好导电性和高比能量密度的新颖三维多孔复合材料,并实现其在超级电容器中的应用研究,具体研究内容包括：(1)具有良好导电性、高比能量密度的自支撑结构的氢氧化镍与石墨烯复合物的形貌调控机理及电化学性能研究。为实现良好导电性和高比容量,我们通过简单的一步水热法,制备一种自支撑结构的氢氧化镍与石墨烯复合物。实验结果表明,以覆盖石墨烯的纤维素为基底生长形成的氢氧化镍具有垂直交叉网状的三维结构,相比于比表面积为366.9 m2g-1的球状氢氧化镍,我们制备的自支撑结构的氢氧化镍石墨烯(Ni(OH)2-CFG)拥有425.9 m2g-1的比表面积。导电的石墨烯基底可以提供很好的离子和电子转移路径,复合材料有利于实现较好的倍率性能和循环稳定性。在2 mol L-1NaOH和1 Ag-1的电流密度下,Ni(OH)2-CFG复合材料拥有2276 F g-1的电容值,且在5 Ag-1的电流密度下,5,000圈循环之后容量几乎没有衰减。组装的不对称电容器在水系电解液测试中拥有安全的1.6V的电压测试窗口,最大比电容为191.3 F g-1和能量密度为15.0 Wh kg-1的。因此,自支撑结构的氢氧化镍与石墨烯复合物很好的解决了粘结剂添加导致的差导电性,石墨烯纤维素作为导电基底对解决过渡金属氢氧化物的循环稳定性差和较低的能量密度问题以及合成其他复合材料提供较有意义的指导。(2)具有优异倍率性能、循环稳定性的三维聚吡咯与石墨烯复合材料的制备和性能研究。为了解决聚吡咯在反复充放电过程中,结构坍塌导致的不稳定性以及提升倍率性能,通过阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)修饰和氧化石墨烯的协同作用,在DL-天冬氨酸水热还原作用下成功将纳米的聚吡咯球嵌入在褶皱、层状的石墨烯中形成三维复合材料。层状的石墨烯不仅可以提高了材料的导电性,而且形成的网状结构还缓解了聚吡咯骨架在反复循环充放电过程中结构坍塌的问题。电化学测试结果表明：聚吡咯与石墨烯的复合物在1 mV s-1扫速时有近400 F g-1的比电容；即使在10 Ag-1的电流密度下,依然拥有243.2 F g-的比容量；在5,000圈的反复充放电循环后,容量保持率高达91.8%。因此,阳离子表面活性剂修饰的纳米聚吡咯球通过π-π共轭和静电吸附的协同作用均匀镶嵌在层状褶皱状的石墨烯的化学方法,为实现突出循环稳定性的导电高分子电极材料的制备提供了有意义的参考价值。(3)具有高比容量和超高倍率稳定性能的层状沉积岩结构、富氧多孔碳材料的制备和性能研究。富含氨基酸的天然多肽生物质明胶实现氮原子掺杂的前驱体,富含氧官能团的有机酸柠檬酸不仅可以提供氧掺杂的来源,其水溶液的粘性对于层状沉积岩结构的形成也是十分必要。本文我们以生物质明胶和柠檬酸为原材料,通过一步活化煅烧的方法成功制备了一种富氧层状沉积岩结构的多孔碳材料。氧和氮原子双掺杂不仅可以提高碳材料在水电解液中的浸渍性,而且杂原子还有一定的赝电容电荷储能。电化学测试结果表明,材料在1 A g-1的电流密度下具有272.6 F g-1的比容量,而且在很高的电流密度(100 A g-1)下,依然拥有197.0 F g-1的比容量,表现出了非常优异的倍率性能(在电流密度增加100倍的情况下仍有72.3%的容量保持率)。组装的对称超级电容器GA650//GA650在功率密度为34.7 kW kg-1时能量密度高达25.3 Wh kg-1,2 A g-110,000圈循环之后容量几乎没有衰减的优异循环稳定性。因此,以生物质为原材料制备杂原子掺杂的多孔层状沉积岩结构活性碳,成功实现了高比容量和优异倍率性能的超级电容器,为制备其他碳材料的提供了有意义的研究思路。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54;TM53

【参考文献】

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1 陈英放;李媛媛;邓梅根;;超级电容器的原理及应用[J];电子元件与材料;2008年04期

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本文编号：1150306