2D/3D石墨烯的可控制备及储能应用研究

发布时间：2024-03-20 18:08

　　随着经济的高速发展,人类目前面临严重的能源短缺和环境污染。为此,各国积极开展新型能源器件的研发。其中,以超级电容和化学电池为代表的电化学储能器件因其具有超高的能量密度和功率密度、以及超高的循环寿命及转换效率,被认为是最具可行性的清洁能源器件,在国防、医疗以及新兴产业等领域具有广阔的应用前景。作为储能器件的核心部件,电极材料的性能和其结构的改进则是制约新型储能器件应用的关键。目前,商业化的储能器件一般采用含镉、铅的石墨基电极材料,然而这种器件不仅质量重、毒性大、循环效率差,而且电容量和能量密度偏低。因此,研发超高功率及能量密度、超长循环寿命的轻质新型储能器件具有极高的科学研究价值和应用前景。本文旨在研制基于3D多孔石墨烯结构的新型高性能的电极材料及储能器件,着力解决制约超级电容和化学电池等储能器件性能的容量损失、老化、功率及能量密度受限等关键科学问题。通过研制新型的电极材料、结构和储能模块,建立3D石墨烯基集成电极的结构与功能构筑模型,揭示其储能机理及结构性能对其储能性能的影响机制,为新型3D石墨烯多孔石墨烯的储能应用奠定了必要的理论和实验基础。本文所取得的研究成果和创新点如下：1.系统...

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 电化学储能器件的分类及发展
        1.2.1 超级电容
        1.2.2 化学电池
        1.2.3 超级电容与化学电池的比较
    1.3 电化学储能器件的电极材料及应用
        1.3.1 电化学储能器件的电极材料
        1.3.2 电化学储能器件的应用
    1.4 2D/3D石墨烯的合成概述及研究进展
        1.4.1 2D石墨烯的制备概述及研究进展
        1.4.2 3D石墨烯的合成概述及研究进展
    1.5 3D石墨烯基电极的储能应用
        1.5.1 3D石墨烯的储能应用
        1.5.2 3D石墨烯的集成电极
    1.6 3D石墨烯及其储能电极存在的问题
    1.7 本论文的选题意义和主要研究内容
第二章 实验设备及测试分析方法
    2.1 实验设备
        2.1.1 化学气相沉积系统
        2.1.2 电化学工作站
    2.2 电极材料的表征
        2.2.1 原子力显微镜
        2.2.2 拉曼光谱
        2.2.3 金相显微镜系统
        2.2.4 非接触霍尔测试仪
        2.2.5 X射线光电子能谱分析
        2.2.6 扫描电子显微镜
        2.2.7 能量色散X射线光谱
        2.2.8 X射线衍射分析
        2.2.9 比表面积测试
        2.2.10 微量天平
    2.3 电极的电化学测试方法
        2.3.1 三电极测量单元
        2.3.2 两电极测量单元
    2.4 电极的电化学性能测试法及原理
        2.4.1 循环伏安法
        2.4.2 恒流充放电
        2.4.3 恒压充放电
        2.4.4 交流阻抗谱
    2.6 超级电容原理简介
        2.6.1 双电层电容原理简介
        2.6.2 赝电容的原理简介
        2.6.3 过渡族金属氧化物/金属盐电极的简介
第三章 2D石墨烯CVD法可控制备及表征
    3.1 Cu衬底上2D石墨烯CVD法成核机理研究
        3.1.1 Cu箔表面电化学抛光
        3.1.2 2D石墨烯成核密度控制机理
    3.2 超大晶畴石墨烯单晶可控制备研究
        3.2.1 Cu表面预处理的影响
        3.2.2 电化学抛光参数的影响
        3.2.3 退火预处理的影响
        3.2.4 生长温度的影响
        3.2.5 氢气和甲烷流量的影响
        3.2.6 Ar流量的影响
        3.2.7 超大晶畴石墨烯单晶CVD生长
    3.3 本章小结
第四章 2D石墨烯衬底无损转移及改性研究
    4.1 CVD制备2D石墨烯衬底转移技术研究
        4.1.1 石墨烯衬底转移技术简述
        4.1.2 石墨烯高质量衬底无损转移及性能表征
    4.2 2D转移石墨烯改性研究
        4.2.1 衬底转移对石墨烯性能的影响
        4.2.2 氢气退火改性研究
    4.3 2D石墨烯叠层透明导电薄膜及层间相互作用研究
        4.3.1 叠层石墨烯的自支撑无损转移技术
        4.3.2 叠层石墨烯透明导电薄膜太阳电池电极制备
        4.3.3 叠层石墨烯光学性能表征及层间相互作用研究
    4.4 本章小结
第五章 3D多孔柔性石墨烯CVD可控制备
    5.1 3D多孔柔性石墨烯CVD可控制备
    5.2 Cu电结晶的成核机理研究
    5.3 3D Cu-Ni合金多孔形成机理研究
        5.3.1 平衡电极电位的影响因素
        5.3.2 液相传质步骤动力学研究
        5.3.3 弗莱德电位对钝化的影响
        5.3.4 多孔形成综合机理研究
    5.4 3D Cu-Ni合金表面多孔覆盖率的控制
        5.4.1 合金孔径尺寸的影响
        5.4.2 合金多孔密度的影响
        5.4.3 电流振荡的影响
    5.5 3D多孔柔性石墨烯的成核机理研究
        5.5.1 3D单孔石墨烯的成核机理
        5.5.2 石墨烯的低温缓慢成核
        5.5.3 石墨烯的表面均匀性的影响因素
    5.6 本章小结
第六章 3DMG集成电极的制备及储能研究
    6.1 3DMG/Ni(OH)₂集成电极制备
    6.2 3DMG/Ni(OH)₂集成电极的材料表征分析
        6.2.1 3DMG/Ni(OH)₂材料形貌分析
        6.2.2 单晶Ni(OH)₂的成核机理
    6.3 3DMG/Ni(OH)₂集成电极的电化学性能研究
        6.3.1 3DMG恒电流充放电测试与循环伏安法
        6.3.2 3DSG/Ni(OH)₂的电化学测试
        6.3.3 集成电极的交流阻抗测试
        6.3.4 集成电极的电池性能测试
    6.4 3DMG/Ni(OH)₂集成电极高性能机理分析
    6.5 本章小结
第七章 3D多孔柔性石墨烯基超级电容
    7.1 3DMG/Mn₃O₄集成电极的制备
    7.2 3DMG/Mn₃O₄集成电极的材料表征及分析
        7.2.1 3DMG/Mn₃O₄可控制备机理研究
        7.2.2 晶粒粒度的影响机制
    7.3 3DMG/Mn₃O₄集成电极电化学性能的表征及分析
        7.3.1 恒电流充放电测试与循环伏安法
        7.3.2 交流阻抗测试
    7.4 基于3DSG/Mn₃O₄/3DMG的高性能不对称超级电容
        7.4.1 不对称超级电容的电容性能测试及分析
        7.4.2 不对称超级电容原理分析
    7.5 本章小结
第八章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：3933092