有机电解液中电化学储能碳材料的法拉第反应行为研究

发布时间：2020-07-12 17:14

【摘要】：人类社会可持续发展对能源领域的电化学存储器件提出了更高要求,如绿色、安全、高性能。目前,基于碳材料氧官能团法拉第赝电容和阴离子嵌入的研究,使用有机电解液的全石墨烯电化学储能器件的可行性已被证实,但石墨烯电极电化学储能性能仍有待提高。作为绿色溶剂的离子液体应用在电化学储能器件中,可提高安全性。然而离子液体与碳电极在界面处的离子吸附及法拉第反应,以及它们与电流-电极电位响应的内在联系尚需深入研究。为此,本文一是研究石墨烯化学结构的调控,以提升石墨烯氧官能团赝电容性能和阴离子嵌入的电化学性能;二是采用电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)原位研究咪唑基离子液体/石墨界面。采用电化学氧化方法有效增加了还原氧化石墨烯(rGO)表面和体相中的氧官能团,氧官能团含量随氧化电压的升高而增加,使比容量从原始电极的170.4 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))提升到5.0 V(vs Li/Li+)电压氧化后的290.5 m Ah g~(-1);适中电压(如4.7 V)下的氧化可降低欧姆极化和电化学极化,使得石墨烯电极倍率性能显著提高。rGO中的羟基在1.5~4.5 V电位区间内为非赝电容活性。采用电化学还原方法可将羟基激活为碳氧双键,比容量从原始电极的170.4 m Ah g~(-1)提高至346.1 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))。由于石墨烯在电化学还原过程中不会引入额外的缺陷,所以可以保持rGO电极的导电性;电化学还原过程中产生的SEI膜可以在高电位下自溶解,得到薄层界面反应膜不至于过多降低rGO在1.5~4.5V电位区间内的赝电容性能。这两个方面都有利于获得优异的倍率性能,在50 A g~(-1)电流密度下的比容量达到41.4 m Ah g~(-1)。研究石墨烯材料作为碳正极在碳酸酯基电解液中的PF6-阴离子电化学脱嵌行为。发现少缺陷石墨烯材料与石墨材料在阴离子脱嵌行为上具有相似性,比容量为78.3 m Ah g~(-1)(0.05 A g~(-1))。利用氮源高温热处理氧化石墨烯的方法合成了氮掺杂石墨烯(NG)。与少缺陷石墨烯相比,石墨烯的氮掺杂可以适当降低PF6-阴离子脱嵌电位平台,并且提升比容量至121.8 m Ah g~(-1),能量密度从347.4 Wh kg~(-1)提高到了463.9 Wh kg~(-1)。利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收谱(XAS)揭示了NG阴离子嵌入贡献法拉第电流的机制:PF6-嵌入NG后形成受主型类石墨插层化合物结构;法拉第电荷转移过程来源于NG失去部分π轨道价电子(N 2p和C 2p电子)。利用密度泛函理论(DFT)计算离子液体中不同碳链长度的咪唑阳离子在石墨表面的吸附能。利用EC-STM研究了离子液体吸附层结合强弱,并观察石墨/离子液体界面形貌。结果表明,随着咪唑环上烷基链的增长,其范德华色散力所贡献的吸附能逐渐增强;随烷基碳链长度增长,咪唑阳离子吸附层结合力增强,电化学腐蚀受到抑制;C8MIm+在台阶处嵌入碳层,形成了稳定的C8MIm/石墨嵌入化合物。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11;O646
【图文】：

源的利用是行之有效的能源解决方案。电化学储能器件作为一种储能装置能源与环境领域扮演重要角色。它可存储间歇性过量电能，并能够在用峰期安全稳定地给国家电网输电（图 1-1）；还可以广泛地用于电动汽车发绿色、安全、高性能的电化学储能器件迫在眉睫。明晰离子在电极材的存储和传输机制是构建新型、高性能电化学储能器件的基石。

[3]（Carbon nanotube，CNT，图 1-2（d））和石墨烯[4]（图 1-2（e）在科学研究还是工程应用上都掀起了对纳米炭材料研究的新热潮。年里还出现了其它类具有特殊化学键及结构的新型碳材料，如石墨石墨烯材料是构建其它类 sp2杂化炭材料的基本单元，其独特的结使其具有较高电导率和热导率、化学性能稳定、机械强度高和特殊能。总的来看，除了绝缘性的金刚石外，其它各类碳材料在电化学一直发挥着重要作用。

-3 电容器示意图：（a）传统介电电容器，（b）对称 EDLC 电容-3 Schematic illustration of (a) a conventional dielectric capacitor asymmetric EDLC capacitor[30]

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本文编号：2752266