钴基尖晶石型电极材料的合成及其在超级电容器中的应用
发布时间：2020-12-21 11:11
超级电容器的能量存储能力与电极材料本身的性质直接相关,制备电化学性能优异、稳定性好而且导电性好的电极材料一直是科研工作者们研究的主要方向。过渡金属氧化物由于其结构特性和良好的电化学活性,可以克服碳材料电化学性能差的缺点,并且表现出较好的循环稳定性。而与过渡金属氧化物赝电容材料,如MnO2等相比,尖晶石型过渡金属氧化物（AB2O4）具有优异的电化学性能和导电性,作为新型的超级电容器电池型电极材料,在近些年受到越来越多的关注。而钴基尖晶石型电极材料则是其中的翘楚,它们作为超级电容器电极材料可以提供优异的性能。本论文以设计并合成具有高电容值以及高稳定性的新型钴基尖晶石型金属氧化物电极材料为出发点,将其与活性碳材料结合组装非对称电容器（ASC）,来提高器件的能量密度。我们选取具有三维骨架的泡沫镍作为导电基底,并在其上直接生长具有独特纳米结构的钴基尖晶石型过渡金属氧化物等材料,形成具有三维结构的电极材料。通过改变反应条件等方法,探究了影响电极材料电化学性质的因素,并利用多种表征和电化学性质测试手段,为制备的新型电极材料的实际应用提...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.4双电层电容器器件的组成结构示意图[37]
双电层电容和赝电容储能机制在通常的电化学电容器中都能够共同存在,其中通过赝电容机制得到的更大的电容对电容器的比电容值做出了主要贡献,而双电层电容的贡献很小[42]。通常,赝电容材料包括金属氧化物,如钌氧化物[43]、氮化钒[44]、锰氧化物[45]等;导电聚合物,如聚苯胺(PANI)[46]以及杂原子掺杂的碳[47-54]和具有电吸附氢的纳米多孔碳[55-59]等。典型的赝电容器的组成结构示意图如图1.5所示,赝电容器与双电层电容器的组成结构也非常相似,同样包括集流体和与之相连的电极材料,它们被放置在带有隔膜的电解质溶液中[37]。1.2.3 混合超级电容器(HSCs)
碳纳米纤维的制备过程简单,且具有优异的导电性、热稳定性和机械稳定性,以及很大的比表面积,也是有应用前景的电极材料[100-103]。制备碳纤维的方法很多,有静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、溶液吹塑纺丝、凝胶纺丝、离心喷雾纺丝、等离子体诱导合成法、CVD法和水热合成法等。然而,部分技术比较复杂、耗时和昂贵,降低了所制备的碳纤维的重现性。而静电纺丝技术因其简单、材料特性(直径、形貌和组成)可调控,并可以放大用于工业生产而被广泛采用[104]。通常,任何具有碳主链的聚合物都可以用作静电纺丝的前体。它们可以分为水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)和聚环氧乙烷(PEO))和非水性聚合物(聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)和聚氯乙烯(PVC))[105-109]。其中PAN由于其出色的特性,例如高碳产率(>50%)[110]、高柔韧性[111]和环境友好[112],被公认为最实用的静电纺丝前体。此外,碳纤维中的多孔结构(即微孔、中孔和大孔)对于柔性超级电容器技术具有重要影响。Qie等人[113]发现,在充电/放电过程中,微孔碳纤维(<2 nm)会使部分电解质离子难以进入微孔,从而导致电荷转移电阻(Rct)增大。而中孔(即2-50 nm)碳纤维能够克服这一离子扩散问题,为离子迁移提供更多的空隙,从而表现出优异的电化学性能[114]。而Lee等人[115]从PAN纤维出发,以SiO2为模板,用KOH活化的微孔/中孔碳纤维具有高达1796 m2g-1的比表面积,这促进了电解质离子的快速迁移/扩散,显示出197 F g-1的高比电容。1.3.1.2二维碳材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文编号：2929729
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.4双电层电容器器件的组成结构示意图[37]
双电层电容和赝电容储能机制在通常的电化学电容器中都能够共同存在,其中通过赝电容机制得到的更大的电容对电容器的比电容值做出了主要贡献,而双电层电容的贡献很小[42]。通常,赝电容材料包括金属氧化物,如钌氧化物[43]、氮化钒[44]、锰氧化物[45]等;导电聚合物,如聚苯胺(PANI)[46]以及杂原子掺杂的碳[47-54]和具有电吸附氢的纳米多孔碳[55-59]等。典型的赝电容器的组成结构示意图如图1.5所示,赝电容器与双电层电容器的组成结构也非常相似,同样包括集流体和与之相连的电极材料,它们被放置在带有隔膜的电解质溶液中[37]。1.2.3 混合超级电容器(HSCs)
碳纳米纤维的制备过程简单,且具有优异的导电性、热稳定性和机械稳定性,以及很大的比表面积,也是有应用前景的电极材料[100-103]。制备碳纤维的方法很多,有静电纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、溶液吹塑纺丝、凝胶纺丝、离心喷雾纺丝、等离子体诱导合成法、CVD法和水热合成法等。然而,部分技术比较复杂、耗时和昂贵,降低了所制备的碳纤维的重现性。而静电纺丝技术因其简单、材料特性(直径、形貌和组成)可调控,并可以放大用于工业生产而被广泛采用[104]。通常,任何具有碳主链的聚合物都可以用作静电纺丝的前体。它们可以分为水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)和聚环氧乙烷(PEO))和非水性聚合物(聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)和聚氯乙烯(PVC))[105-109]。其中PAN由于其出色的特性,例如高碳产率(>50%)[110]、高柔韧性[111]和环境友好[112],被公认为最实用的静电纺丝前体。此外,碳纤维中的多孔结构(即微孔、中孔和大孔)对于柔性超级电容器技术具有重要影响。Qie等人[113]发现,在充电/放电过程中,微孔碳纤维(<2 nm)会使部分电解质离子难以进入微孔,从而导致电荷转移电阻(Rct)增大。而中孔(即2-50 nm)碳纤维能够克服这一离子扩散问题,为离子迁移提供更多的空隙,从而表现出优异的电化学性能[114]。而Lee等人[115]从PAN纤维出发,以SiO2为模板,用KOH活化的微孔/中孔碳纤维具有高达1796 m2g-1的比表面积,这促进了电解质离子的快速迁移/扩散,显示出197 F g-1的高比电容。1.3.1.2二维碳材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文编号：2929729
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