碳布自支撑电极的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-09-13 12:45

  本文关键词：碳布自支撑电极的制备及电化学性能研究

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【摘要】：面对日前持续严重的能源危机和环境问题,发展具有绿色,环保,高效的新能源材料和技术成果已经迫在眉睫。超级电容器,介于二次电池和传统静电电容器的新型储能器件,由于具有高功率密度,短的充放电时间和长的使用寿命,从而被认为具有成为下一代能量存储与转化器件的巨大潜力。一直以来,落后的生产工艺技术和低的比能量密度成为了限制超级电容器发展的两大主要因素,所以在保持高功率密度的同时提高它的能量密度和发展新的生产应用技术和手段成为当下该领域研究的热点。根据储能机制的差异,超级电容器可以分为基于碳材料的双电层电容器,和依靠金属氧化物和导电聚合物发生的可逆电化学氧化还原反应的赝电容电容器。近年来,超级电容器的研究方向不仅仅是开发出新的电极材料,也包括了超级电容器器件的组装与性能优化。人们在追求高效简捷的生活方式的背后推进了可穿戴移动设备的发展,柔性电子设备尤其是能源存储器件的需求不断增加。将活性材料负载或原位生长在多孔化的柔性基底上能消除传统压片工艺和添加粘结剂对器件电容性能和稳定性的负面影响。本文将围绕商业碳布作为集流体柔性基底和碳源分别做了系统工作研究。基于尖晶石材料优越的电导性能和多价态中心,设计合成了具有高比表面积,多孔的钴酸镍二维纳米薄片结构。同时,本文打破了碳布仅仅作为集流体的传统认识,基于碳布作为柔性基底和碳源的双功能作用,通过化学氧化和射线辐照还原两步法制备了具有多孔结构的核壳碳纤维碳布电极,并对该活化碳布电极材料体系的电化学性能做了评价和测试。本文的主要内容概括如下:(1)基于原位生长钴酸镍二维纳米碳布电极的固态对称超级电容器:采用水热合成法我们首次使用P123和EG复合添加剂在碳布上原位生长了超薄的介孔网状钴酸镍纳米片。比较了不同的添加剂的条件下,得到的不同形貌钴酸镍活性材料的电化学性能。通过SEM和TEM图表明,在加入P123和EG的同时得到了超薄的二维介孔纳米片,而且这些纳米薄片相互交错生长形成了三维的网状结构。网状结构有利电解质离子的传输,快速可逆的法拉第反应的发生和电化学性能的化学和热稳定性。纳米薄片的以桥连的方式连接和钴酸镍自身优越的电导性能提高了体系的导电性,原位碳布生长钴酸镍又消除了粘结剂对电解质离子在活性材料中传输电阻和活性材料与基底的接触电阻的影响。性能测试结果表明,我们得到钴酸镍电极材料在1 A/g的电流密度下具有高的比电容(1843.3 F/g),钴酸镍的碳布电极材料的比电容优于先前报道的类似体系电容器的电容值。同时制备的碳布电极材料拥有好的倍率性能(在充电电流为32 A/g下仍能达到1481 F/g)和优越的循环寿命(4000次电化学循环后比电容仍保持90%)。在此基础上,我们组装的柔性对称器件在扭曲和弯曲的条件下保持很好电化学稳定性,并且通过电化学测试,组装得到的体系在保持高功率密度(14 kW/kg)的同时,大幅提高了钴酸镍体系的能量密度(38.3Wh/kg)。(2)我们成功通过两步法设计合成多孔的核壳碳纤维自支撑碳布电极并应用于柔性超级电容器。这个工作里,我们创造性的将碳布展示了双功能的作用:集流体和碳源。首先通过硝酸,浓硫酸,过氧化氢和高锰酸钾等强氧化剂对商业碳布进行化学氧化,增加碳布的化学性能和润湿性,并在碳纤维表面成功的造孔。与此同时在碳纤维表面同时的引入了一些含氧官能团,然而这些官能团会阻碍电化学双电层电容过程中的电子传输和诱导电解质的分解,随后我们首次在KOH碱性溶液的条件下应用Gamma射线辐照还原的方法在碳纤维表面去官能团化,达到合成多孔的核壳碳纤维电极活性材料的目的。通过TEM和阻抗分析可以得到这种发达的多孔核壳碳纤维结构拥有很小的内阻,有利于双电层电容的电子传输过程。实验表明,我们得到的多孔碳纤维碳布电极具有很高的负载量(12 mg/cm2),很高的面积电容(702 mF/cm2在1 mA/cm2的充电电流下),优越的倍率性(在20mA/cm2仍能高达610 mF/cm2)和超长的循环稳定性和可逆性(在不同的电流密度下进行30000次电化学循环后能达到初始电容的110.5%)。这一发现大大提高了商业碳布的电容,整整提高了2018倍。进一步探究发现,我们基于活化碳布组装的固态对称的超级电容器具有很高的能量密度0.556 mW·h/cm~3。
【关键词】：柔性超级电容器 碳布电极 钴酸镍 γ辐照 对称超级电容器
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54;TM53
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-33
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超级电容器简介13-19
• 1.2.1 超级电容器的工作原理13-16
• 1.2.2 超级电容器的结构16-17
• 1.2.3 超级电容器的特点17-18
• 1.2.4 超级电容器的应用18-19
• 1.3 超级电容器电极材料的研究进展19-23
• 1.3.1 碳材料研究进展19-21
• 1.3.2 金属化合物研究进展21-22
• 1.3.3 导电聚合物的研究进展22-23
• 1.4 超级电容器面临的问题23
• 1.5 本论文选题的背景意义及内容23-24
• 参考文献24-33
• 第二章 实验材料与测试方法33-41
• 2.1 实验仪器与药品33-34
• 2.2 材料的结构和形貌表征34-36
• 2.2.1 X射线衍射分析34-35
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜 (SEM)35
• 2.2.3 透射电子显微照片 (TEM)35
• 2.2.4 拉曼光谱分析 (RAMAN)35
• 2.2.5 X射线光电子能谱35
• 2.2.6 氮气吸附脱附实验35-36
• 2.2.7 全反射傅里叶变换红外光谱36
• 2.3 电极的制备和器件组装36
• 2.4 电化学性能测试方法与计算36-38
• 2.4.1 三电极测试36-37
• 2.4.2 两电极测试37
• 2.4.3 循环伏安法37
• 2.4.4 恒电流充放电37-38
• 2.4.5 电化学阻抗测试方法38
• 2.5 数据计算38-39
• 2.5.1 单电级比电容的计算方法38
• 2.5.2 对称超级电容器比电容的计算38-39
• 2.5.3 能量密度和功率密度的计算39
• 参考文献39-41
• 第三章 水热法制备钴酸镍/碳布自支撑电极及其电化学性能41-62
• 3.1 引言41-42
• 3.2 实验部分42-43
• 3.3 材料的表征43-49
• 3.4 电化学性能测试49-58
• 3.5 本章小结58
• 参考文献58-62
• 第四章 化学氧化法合成具备高电化学性能的碳布电极62-70
• 4.1 引言62-63
• 4.2 实验方法63
• 4.3 材料表征和性能测试63-68
• 4.4 本章小结68
• 参考文献68-70
• 第五章 两步法合成具备高电化学性能的碳布活化电极70-84
• 5.1 引言70-71
• 5.2 实验过程71
• 5.3 材料表征和性能测试71-81
• 5.4 本章小结81
• 参考文献81-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 总结84-85
• 6.2 展望85-86
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文86-88
• 致谢88-89

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本文编号：843825