氧化还原电解质体系超级电容器的电化学性能研究
发布时间：2020-09-18 06:21
氮掺杂碳材料以及过渡金属氧化物作为电容器电极可发生可逆氧化还原反应从而具有一定的赝电容性质,因此在电化学电极材料的储能方面有巨大的应用潜力,但是材料本身的赝电容相对有限。在电解质中引入氧化还原活性成分可以大幅度提高电容器件比容,本文主要就氧化还原电解质体系超级电容器的电化学储能进行研究,采用氮掺杂碳材料以及过渡金属氧化物作为电极材料,将多元酚及K_3Fe(CN)_6等氧化还原活性物质引入电解质体系,借助电极材料的催化作用促进氧化还原活性电解质的快速可逆氧化还原反应,从而提高电容器件的储能性能。主要研究内容包括以下几个方面:(1)以石墨烯和聚吡咯构建多孔框架,通过一步活化在不同温度煅烧合成N,O异质元素掺杂的多孔碳。在最优活化温度700℃制备的GNAC700材料具有高比表面积、多级结构孔道及较高表面润湿性,能提供高效电解质扩散传输通道和较高可接触表面积,同时结合氧化还原活性N,O基团的法拉第电容贡献,展示出良好的倍率及循环性能。进而将邻苯二酚引入酸性电解质体系,对比发现N,O掺杂多孔碳对邻苯二酚和邻苯醌的氧化还原反应有明显催化活性,电解质的法拉第反应与电极材料中吡啶型N直接相关;通过活性电解质的赝电容贡献在1 A g-1时可将电极比容提高4倍以上,达到512 F g-1。通过氧化还原电解质和催化电极之间的协同作用改善超级电容器的电容性能可为有效改善器件电容性能提供有益参考。(2)通过水热沉积辅以低温煅烧在泡沫镍集流体表面沉积网状石墨烯-NiO复合材料,该复合材料电极在碱性电解液中能提供1058 F g-1的比容(1 A g-1),同时该电极对碱性电解质中K3Fe(CN)6的氧化还原反应有较强催化活性,通过电极自身以及氧化还原电解质的双重赝电容贡献,将比容提高至3790 F g-1(1 A g-1),同时能保持较高倍率性能,显示出催化电极对超级电容器储能性能的显著改善作用。(3)采用三聚氰胺泡沫为碳材料前躯体,在含有氧化石墨烯的苯胺单体溶液中聚合,进一步通过碳化处理得到了交联空球状氮掺杂碳材料。该材料的碳氮骨架有很好的电容性质和催化活性,在传统的酸电解质中有较高电容。在含有酚的电极体系中,其比容接近340 F g-1(1A g-1),是酸性电极体系电容的2倍。同时也在不同温度对该材料的电化学性能进行表征,表明该材料在电化学储能方面有很好的应用潜力。
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O646;TM53
【部分图文】：
图 1-1 先进电容器的发展史现在的静电电容器技术包括电化学，陶瓷，聚合物薄膜和云母，通常应用于平结构且在微电子电路和波纹过滤器方面应用也比较广泛。对于小的、完整的、的并且有效的空间包装的器件的需求都促使纳米电解质嵌入电容器技术的发展为了取代离散解耦电容器，他们直接嵌入无源器件比如印刷电路线板[11-16]。尽容器技术是发展高速集成电路的理想选择，但是它提供的电容却低于 10uF g-1低于 0.1Wh kg-1。图 1-2b 表明其不像电池，阳极的表面积可以和阴极一样大，因为在电极上可同的可逆反应。电极在充放电过程中没有发生形貌、体积等的改变，因此双电可以循环几万次并且能量密度可以达到 5Wh kg-1。早期探究的法拉第赝电容器质子吸附到贵金属上如铂或者金以及电化学质子金属含水氧化物氢氧化物如氧化钌和氧化铱水合物[17-19]。最近大量的研究表明属氧化物是利用氧化还原反应为基础的法拉第反应储存电荷的。一般来说，赝
图 1-2（a）双电层电容器离子吸附到电极表面过程（b）赝电容电容器电荷转移到电极表面过程图1.2.2 超级电容器工作原理超级电容器是电化学储能装置，主要包括双电层电容和赝电容，就能量密度和功度而言它是一种介于传统电容器和二次电容器之间的一种新型能量存储装置，其主点是高功率、长寿命、不足之处则是低能量密度，即较低的的电容性能[20]。由于超容器的功率密度至少在 10kW Kg-1，比锂离子电池高一个数量级，可以应用在混合汽车、公共交通、装载起重机、负载均衡和备用电源电力公司和工厂。图 1-3 是一系列储能装置的 Ragone 图比较。在未来市场里超级电容器可以与电同样的应用因为他们具有相似之处。超级电容器在能量储存或者质量方面可以补足是取代电池，主要包括便携式电子设备，插电式混合动力电动车辆，风电场以及长持续的输出电路[21]。但是市场研发却受到了限制，主要是由于成本高，能量密度低
图 1-3 不同储能装置的能量密度和功率密度的 Ragone 图.3 氧化还原超级电容器的原理以及纳米尺寸的影响对于电荷积累在双电层的电化学电容器，计算电容的公式如下：C = = (1-1)Q 是电极板上总的电荷，V 是施加在电容器上的电压，A 是离子可以接触到的液的比表面积，d 是扩散双电层的厚度，εo=8.854 x 10-12F m-1是空间的介电电解液的介电常数。双电层的电荷密度是由吸附在内部亥姆霍兹面的离子以及电荷密度组成。因此整个双电层电容 Cdl包括亥姆霍兹型固定双电层电容 CH和层 Cdiff1 =1 1 (1-2)
本文编号：2821321
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O646;TM53
【部分图文】：
图 1-1 先进电容器的发展史现在的静电电容器技术包括电化学，陶瓷，聚合物薄膜和云母，通常应用于平结构且在微电子电路和波纹过滤器方面应用也比较广泛。对于小的、完整的、的并且有效的空间包装的器件的需求都促使纳米电解质嵌入电容器技术的发展为了取代离散解耦电容器，他们直接嵌入无源器件比如印刷电路线板[11-16]。尽容器技术是发展高速集成电路的理想选择，但是它提供的电容却低于 10uF g-1低于 0.1Wh kg-1。图 1-2b 表明其不像电池，阳极的表面积可以和阴极一样大，因为在电极上可同的可逆反应。电极在充放电过程中没有发生形貌、体积等的改变，因此双电可以循环几万次并且能量密度可以达到 5Wh kg-1。早期探究的法拉第赝电容器质子吸附到贵金属上如铂或者金以及电化学质子金属含水氧化物氢氧化物如氧化钌和氧化铱水合物[17-19]。最近大量的研究表明属氧化物是利用氧化还原反应为基础的法拉第反应储存电荷的。一般来说，赝
图 1-2（a）双电层电容器离子吸附到电极表面过程（b）赝电容电容器电荷转移到电极表面过程图1.2.2 超级电容器工作原理超级电容器是电化学储能装置，主要包括双电层电容和赝电容，就能量密度和功度而言它是一种介于传统电容器和二次电容器之间的一种新型能量存储装置，其主点是高功率、长寿命、不足之处则是低能量密度，即较低的的电容性能[20]。由于超容器的功率密度至少在 10kW Kg-1，比锂离子电池高一个数量级，可以应用在混合汽车、公共交通、装载起重机、负载均衡和备用电源电力公司和工厂。图 1-3 是一系列储能装置的 Ragone 图比较。在未来市场里超级电容器可以与电同样的应用因为他们具有相似之处。超级电容器在能量储存或者质量方面可以补足是取代电池，主要包括便携式电子设备，插电式混合动力电动车辆，风电场以及长持续的输出电路[21]。但是市场研发却受到了限制，主要是由于成本高，能量密度低
图 1-3 不同储能装置的能量密度和功率密度的 Ragone 图.3 氧化还原超级电容器的原理以及纳米尺寸的影响对于电荷积累在双电层的电化学电容器，计算电容的公式如下：C = = (1-1)Q 是电极板上总的电荷，V 是施加在电容器上的电压，A 是离子可以接触到的液的比表面积，d 是扩散双电层的厚度，εo=8.854 x 10-12F m-1是空间的介电电解液的介电常数。双电层的电荷密度是由吸附在内部亥姆霍兹面的离子以及电荷密度组成。因此整个双电层电容 Cdl包括亥姆霍兹型固定双电层电容 CH和层 Cdiff1 =1 1 (1-2)
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 Thang Ngoc Cong;;Progress in electrical energy storage system:A critical review[J];Progress in Natural Science;2009年03期
本文编号：2821321
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/2821321.html
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