“凝胶自蔓延”法宏量制备超级电容器用二维碳基材料
发布时间：2021-01-15 19:12
超级电容器的发展是加速全球化石燃料淘汰进程中的重要环节。相较于传统的储能装置,超级电容器的蓬勃发展是因为其超高的循环寿命特性以及在功率密度上的绝对优势。在超级电容器的电极材料中,以石墨烯为代表的碳材料在超级电容器电极材料领域逐渐占据主导地位。但是,石墨烯昂贵的制造成本及其复杂的制备工艺使得石墨烯迟迟未能广泛地走进生活生产应用之中,因而衍生出了作为石墨烯廉价替代品的类石墨烯二维碳材料的及对其的广泛研究。但同时单一结构和组分的碳材料在性能上的提升空间也已十分有限,进而使得研究者更多地关注于通过对碳材料的结构构建以及引入多维组分来为材料的性能创造更多的发挥空间。因此,一种基于二维碳材料结构和组分优化调控的合成策略将为碳材料在超级电容器领域的发展重新注入强劲的动力。本文基于“凝胶-自蔓延”法的宏量制备策略,依次对二维碳材料实现了结构调控和组分调控。本文通过对凝胶前驱体的快速热处理,利用自蔓延反应特性使凝胶被“吹”成大尺寸的二维碳纳米片,实现了材料的宏量制备。在随后的工作中本文将硝酸镍引入实验体系,以孔隙构建的方式实现了对二维碳纳米片的结构调控。本文进一步在热处理过程中引入碳源,在二维碳纳米片上...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见电化学储能装置的Ragone曲线图[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文6图1-2不同储能装置的电荷存储机制图[56]图1-3为典型的EDLC的储能机理图，并以活性炭电极为例：正负极为附着在导电集流体上的固态活性炭电极，并且两个电极通过绝缘隔膜分隔开。电极和隔膜之间为液体电解质，常用的碱性电解液为KOH溶液，酸性电解液为H2SO4溶液，中性电解液为Na2SO4溶液。在超级电容器未接通电源时，电解质离子在电解液中均匀排布，此时电解液中电势为平衡状态，正负极无电势差。当超级电容器接通电源后，器件在电源供电下开始充电。正极电势偏离原先的平衡位置增大，与负极产生电势差，导致电解液中带正负电荷的离子分别朝着电极的阳极和阴极的位置移动。对于双电层电容器而言，此时电极材料的丰富表面和多孔结构为吸附在电极附近的电荷提供了容纳空间，而更多的容纳空间意味着装置能够储存更多的能量。电荷吸附在电极表面的同时，也在不断地改变装置内部的电势差，使其最终达到与外电路电势差平衡。此时电荷运动的驱动力几乎为0，达到吸附饱和状态，此时也对应着材料在该电压下能够储存的最大容量。放电过程则相反，具有一定能量储备的超级电容器与外电路接通时，随着储存在电极中的电子不断地转移到外电路对外做功，吸附在电极上的正负离子在浓差驱动下也逐渐脱附到电解液中。因此，如何在电解质离子吸附时为其提供更多的吸附位点，以及如何使得电荷的吸脱附过程更加快速并且使反应更加充分的进行是超级电容器电极材料材料的研究重点。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7图1-3典型的双电层电容器的储能机理图[57]通过上述分析可以发现，超级电容器在宏观上的容量和电荷存储性能离不开电极材料的在微观结构上的行为表现。虽然超级电容器的电容量和电极材料的比表面积紧密相关，但是各种材料表现出来的电容量随着比表面积的增加并不是简单地线增长关系。这是因为电极材料在与电解液相接触的时候，并不是所有的表面能能够展现出来，而只有那些能够参与电化学行为的表面才能被称为电化学活性表面。随着近几年对超级电容器材料的深入研究人们开始发现，对于单一结构或组分的材料来说，性能的提升已经不具备广阔的空间。因此，研究者在致力于开发新的储能材料同时，将更多的工作投入于在现以有材料的基础上通过材料采取相关的优化调控手段来提升材料电化学活性表面，从而达到对材料性能改进的目的。2017年Lou[58]等人构建了一种多级结构的中空碳纤维。如图1-4所示，课题组利用常见的沸石咪唑骨架材料ZIF-8作为掺杂物，将其掺杂到聚丙烯腈纤维中，然后通过静电纺丝制备氮掺杂碳纤维（CNF-N）。最后通过热处理和化学蚀刻工艺，得到多级结构的中空氮掺杂碳纤维（HPCNF-N）。分级结构和多孔结构的优势使得由HPCNF-N作为电极材料组装得到的超级电容器表现出优异的电化学性能。当器件的功率密度为250W/kg时能量密度可达10.98Wh/kg。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Definitions of Pseudocapacitive Materials: A Brief Review[J]. Yuqi Jiang,Jinping Liu. 能源与环境材料(英文). 2019(01)
[2]Strategies for improving the lithium-storage performance of 2D nanomaterials[J]. Jun Mei,Yuanwen Zhang,Ting Liao,Ziqi Sun,Shi Xue Dou. National Science Review. 2018(03)
[3]碳纳米管和石墨烯材料在柔性超级电容器中的应用（英文）[J]. 李康,张进涛. Science China Materials. 2018(02)
[4]活性炭基软包装超级电容器用有机电解液[J]. 黄博,孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2013(09)
[5]活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器[J]. 孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2012(02)
本文编号：2979363
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见电化学储能装置的Ragone曲线图[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文6图1-2不同储能装置的电荷存储机制图[56]图1-3为典型的EDLC的储能机理图，并以活性炭电极为例：正负极为附着在导电集流体上的固态活性炭电极，并且两个电极通过绝缘隔膜分隔开。电极和隔膜之间为液体电解质，常用的碱性电解液为KOH溶液，酸性电解液为H2SO4溶液，中性电解液为Na2SO4溶液。在超级电容器未接通电源时，电解质离子在电解液中均匀排布，此时电解液中电势为平衡状态，正负极无电势差。当超级电容器接通电源后，器件在电源供电下开始充电。正极电势偏离原先的平衡位置增大，与负极产生电势差，导致电解液中带正负电荷的离子分别朝着电极的阳极和阴极的位置移动。对于双电层电容器而言，此时电极材料的丰富表面和多孔结构为吸附在电极附近的电荷提供了容纳空间，而更多的容纳空间意味着装置能够储存更多的能量。电荷吸附在电极表面的同时，也在不断地改变装置内部的电势差，使其最终达到与外电路电势差平衡。此时电荷运动的驱动力几乎为0，达到吸附饱和状态，此时也对应着材料在该电压下能够储存的最大容量。放电过程则相反，具有一定能量储备的超级电容器与外电路接通时，随着储存在电极中的电子不断地转移到外电路对外做功，吸附在电极上的正负离子在浓差驱动下也逐渐脱附到电解液中。因此，如何在电解质离子吸附时为其提供更多的吸附位点，以及如何使得电荷的吸脱附过程更加快速并且使反应更加充分的进行是超级电容器电极材料材料的研究重点。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文7图1-3典型的双电层电容器的储能机理图[57]通过上述分析可以发现，超级电容器在宏观上的容量和电荷存储性能离不开电极材料的在微观结构上的行为表现。虽然超级电容器的电容量和电极材料的比表面积紧密相关，但是各种材料表现出来的电容量随着比表面积的增加并不是简单地线增长关系。这是因为电极材料在与电解液相接触的时候，并不是所有的表面能能够展现出来，而只有那些能够参与电化学行为的表面才能被称为电化学活性表面。随着近几年对超级电容器材料的深入研究人们开始发现，对于单一结构或组分的材料来说，性能的提升已经不具备广阔的空间。因此，研究者在致力于开发新的储能材料同时，将更多的工作投入于在现以有材料的基础上通过材料采取相关的优化调控手段来提升材料电化学活性表面，从而达到对材料性能改进的目的。2017年Lou[58]等人构建了一种多级结构的中空碳纤维。如图1-4所示，课题组利用常见的沸石咪唑骨架材料ZIF-8作为掺杂物，将其掺杂到聚丙烯腈纤维中，然后通过静电纺丝制备氮掺杂碳纤维（CNF-N）。最后通过热处理和化学蚀刻工艺，得到多级结构的中空氮掺杂碳纤维（HPCNF-N）。分级结构和多孔结构的优势使得由HPCNF-N作为电极材料组装得到的超级电容器表现出优异的电化学性能。当器件的功率密度为250W/kg时能量密度可达10.98Wh/kg。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Definitions of Pseudocapacitive Materials: A Brief Review[J]. Yuqi Jiang,Jinping Liu. 能源与环境材料(英文). 2019(01)
[2]Strategies for improving the lithium-storage performance of 2D nanomaterials[J]. Jun Mei,Yuanwen Zhang,Ting Liao,Ziqi Sun,Shi Xue Dou. National Science Review. 2018(03)
[3]碳纳米管和石墨烯材料在柔性超级电容器中的应用（英文）[J]. 李康,张进涛. Science China Materials. 2018(02)
[4]活性炭基软包装超级电容器用有机电解液[J]. 黄博,孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2013(09)
[5]活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器[J]. 孙现众,张熊,张大成,马衍伟. 物理化学学报. 2012(02)
本文编号：2979363
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/2979363.html
