MXene基薄膜电极的制备与超级电容器性能研究
发布时间：2021-08-17 20:00
超级电容器因其功率密度高、循环寿命长以及安全性好等优点,在储能领域中占据不可替代的地位。然而,传统超级电容器面临着能量密度低、倍率性能差等问题,同时高性能电动汽车及电子设备等对超级电容器的循环稳定性提出更高要求。开发超级电容器新型电极材料是解决上述问题的关键之一。此外,电极材料在制备过程中导电剂和粘结剂的使用,进一步降低其能量密度。因此,构筑和优化无导电剂、无粘结剂的薄膜电极材料,实现超级电容器能量密度、倍率性能和循环性能的提升,逐渐成为当前研究的重点。二维材料因比表面积大、活性位点多、离子传输路径短、机械性能优良等特点,成为超级电容器领域的研究热点。MXene是一类新型二维过渡金属碳/氮化物,兼具亲水性和导电性,其层间距、成分与表面官能团可调,且易组装成自支撑薄膜直接作为电极使用,使得MXene在发现之初就在储能领域尤其是超级电容器领域展现出巨大潜力。然而,MXene的成分可调性还有待进一步挖掘;MXene表面难以避免的官能团,会一定程度上降低其电导率;MXene的二维结构易发生塌陷和堆垛,降低离子/电子迁移速率,影响电化学性能。因此,如何克服上述问题,加速MXene在超级电容器领域...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超级电容器的发展史[3]
东南大学博士学位论文21.1.2超级电容器分类按照电极材料的充放电机理，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容电容器两类，如图1-2所示为不同类型超级电容器的储能机理示意图。双电层电容器是利用正负离子分别吸附在固体电极和电解液之间的表面，造成固体电极之间电势差，从而实现能量的存储[8]。其储能过程是物理过程，没有化学反应且该过程完全可逆，因此双电层电容器具有良好的可逆性、较高的功率密度以及较长的循环寿命等优点。正是因为双电层电容器的储能过程没有化学反应，所以其比容量较低。赝电容是利用电极活性物质表面或近表面反生的可逆化学吸附或氧化还原反应等法拉第过程产生的电容[9]。赝电容根据反应机理可进一步分为：欠电位沉积、氧化/还原反应和插层赝电容[3]。由于电极反应涉及到化学反应过程，赝电容电极材料的比容量是双电层电极材料的10-100倍，因此具有较高的能量密度。但由于法拉第过程进行较为缓慢且不仅仅是发生在电极表面，故赝电容电容器一般存在功率密度较低和循环性能较差等缺点。图1-2不同类型超级电容器的储能机理：(a)双电层；(b-d)三种不同类型的赝电容，其中(b)为欠电位沉积，(c)为氧化/还原反应，(d)为插层赝电容[3]Figure1-2Schematicsofcharge-storagemechanismsfor(a)EDLCand(b-d)differenttypesofpseudocapacitiveelectrodes:(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)ionintercalationpseudocapacitor[3].Copyright2014,RoyalSocietyofChemistry1.1.3超级电容器电极材料概况超级电容器由电极材料（正极和负极）、电解液、隔膜以及集流体组成。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一，因此其制备与性能优化是超级电容器领域的研究重点。碳材料是研究最早、最为广泛
东南大学博士学位论文4图1-3M2AX，M3AX2和M4AX3晶体结构示意图[36]Figure1-3SchematicsofM2AX,M3AX2andM4AX3crystalstructures[36].Copyright2017,WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim1.2.2MXene的结构和性质MXene与其母相MAX相一样，均为密排六方结构，且保持面内有序排列。M原子的数量不同，其排列方式有一定差异，例如M2X中M原子按照ABABAB（密排六方）形式排列，而M3C2和M4C3中M原子按照ABCABC（面心立方）顺序排列[28]。刻蚀制备的MXene表面一般含有-OH、-O和-F等官能团，且这些官能团呈随机分布状态。目前，对MXene的结构和性质多采用第一性原理计算和实验相结合的方法预测和表征。例如Tang等[37]假设MXene无缺陷、其表面官能团唯一且均匀分布，采用两种方法预测了MXene的结构。接着，研究人员利用透射电镜中电子能量损失谱[38,39]、中子散射[40]和核磁共振谱[41,42]研究了Ti3C2和V2C两种MXene的表面官能团，确认了MXene表面官能团为随机分布。虽然可以采用一定的后处理手段获得带有特定官能团的MXene，但相关报道很少[43]。-OH、-O和-F等官能团的存在显著影响MXene的结构和性质，例如能够增加MXene的亲水性、降低导电性等[26]。密度泛函理论表明未含有官能团的MXene表现出金属导体的性质，而含有官能团的MXene则表现出半导体的性质，且不同种类的MXene具有不同的带隙[44]。理论预测表明无官能团的MXene具有一定的磁性，例如Cr2C、Cr2N[45]和Ta3C2[46]显铁磁性。然而，当MXene表面含有官能团时，其磁性就会降低甚至消失。另外，MXene具有良好的力学性能。计算表明MXene沿基面拉伸时具有很高的弹性模量和弯曲强度，与典型过渡金属碳化物的值相当，优于多层
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous and free-standing Ti3C2Tx-RGO film with ultrahigh gravimetric capacitance for supercapacitors[J]. Yongzheng Fang,Bowen Yang,Dongtong He,Huipeng Li,Kai Zhu,Lin Wu,Ke Ye,Kui Cheng,Jun Yan,Guiling Wang,Dianxue Cao. Chinese Chemical Letters. 2020(04)
[2]超级电容器的发展及应用现状[J]. 黄晓斌,张熊,韦统振,齐智平,马衍伟. 电工电能新技术. 2017(11)
[3]石墨烯及其纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展[J]. 陈坚,徐晖. 材料导报. 2017(09)
[4]超级电容器中的二维材料[J]. 唐捷,华青松,元金石,张健敏,赵玉玲. 材料导报. 2017(09)
博士论文
[1]超级电容器活性炭电极材料的孔径调控和表面改性[D]. 刘亚菲.同济大学 2008
本文编号：3348401
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
超级电容器的发展史[3]
东南大学博士学位论文21.1.2超级电容器分类按照电极材料的充放电机理，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容电容器两类，如图1-2所示为不同类型超级电容器的储能机理示意图。双电层电容器是利用正负离子分别吸附在固体电极和电解液之间的表面，造成固体电极之间电势差，从而实现能量的存储[8]。其储能过程是物理过程，没有化学反应且该过程完全可逆，因此双电层电容器具有良好的可逆性、较高的功率密度以及较长的循环寿命等优点。正是因为双电层电容器的储能过程没有化学反应，所以其比容量较低。赝电容是利用电极活性物质表面或近表面反生的可逆化学吸附或氧化还原反应等法拉第过程产生的电容[9]。赝电容根据反应机理可进一步分为：欠电位沉积、氧化/还原反应和插层赝电容[3]。由于电极反应涉及到化学反应过程，赝电容电极材料的比容量是双电层电极材料的10-100倍，因此具有较高的能量密度。但由于法拉第过程进行较为缓慢且不仅仅是发生在电极表面，故赝电容电容器一般存在功率密度较低和循环性能较差等缺点。图1-2不同类型超级电容器的储能机理：(a)双电层；(b-d)三种不同类型的赝电容，其中(b)为欠电位沉积，(c)为氧化/还原反应，(d)为插层赝电容[3]Figure1-2Schematicsofcharge-storagemechanismsfor(a)EDLCand(b-d)differenttypesofpseudocapacitiveelectrodes:(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)ionintercalationpseudocapacitor[3].Copyright2014,RoyalSocietyofChemistry1.1.3超级电容器电极材料概况超级电容器由电极材料（正极和负极）、电解液、隔膜以及集流体组成。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一，因此其制备与性能优化是超级电容器领域的研究重点。碳材料是研究最早、最为广泛
东南大学博士学位论文4图1-3M2AX，M3AX2和M4AX3晶体结构示意图[36]Figure1-3SchematicsofM2AX,M3AX2andM4AX3crystalstructures[36].Copyright2017,WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim1.2.2MXene的结构和性质MXene与其母相MAX相一样，均为密排六方结构，且保持面内有序排列。M原子的数量不同，其排列方式有一定差异，例如M2X中M原子按照ABABAB（密排六方）形式排列，而M3C2和M4C3中M原子按照ABCABC（面心立方）顺序排列[28]。刻蚀制备的MXene表面一般含有-OH、-O和-F等官能团，且这些官能团呈随机分布状态。目前，对MXene的结构和性质多采用第一性原理计算和实验相结合的方法预测和表征。例如Tang等[37]假设MXene无缺陷、其表面官能团唯一且均匀分布，采用两种方法预测了MXene的结构。接着，研究人员利用透射电镜中电子能量损失谱[38,39]、中子散射[40]和核磁共振谱[41,42]研究了Ti3C2和V2C两种MXene的表面官能团，确认了MXene表面官能团为随机分布。虽然可以采用一定的后处理手段获得带有特定官能团的MXene，但相关报道很少[43]。-OH、-O和-F等官能团的存在显著影响MXene的结构和性质，例如能够增加MXene的亲水性、降低导电性等[26]。密度泛函理论表明未含有官能团的MXene表现出金属导体的性质，而含有官能团的MXene则表现出半导体的性质，且不同种类的MXene具有不同的带隙[44]。理论预测表明无官能团的MXene具有一定的磁性，例如Cr2C、Cr2N[45]和Ta3C2[46]显铁磁性。然而，当MXene表面含有官能团时，其磁性就会降低甚至消失。另外，MXene具有良好的力学性能。计算表明MXene沿基面拉伸时具有很高的弹性模量和弯曲强度，与典型过渡金属碳化物的值相当，优于多层
【参考文献】：
期刊论文
[1]Porous and free-standing Ti3C2Tx-RGO film with ultrahigh gravimetric capacitance for supercapacitors[J]. Yongzheng Fang,Bowen Yang,Dongtong He,Huipeng Li,Kai Zhu,Lin Wu,Ke Ye,Kui Cheng,Jun Yan,Guiling Wang,Dianxue Cao. Chinese Chemical Letters. 2020(04)
[2]超级电容器的发展及应用现状[J]. 黄晓斌,张熊,韦统振,齐智平,马衍伟. 电工电能新技术. 2017(11)
[3]石墨烯及其纳米复合材料作为锂离子电池负极的研究进展[J]. 陈坚,徐晖. 材料导报. 2017(09)
[4]超级电容器中的二维材料[J]. 唐捷,华青松,元金石,张健敏,赵玉玲. 材料导报. 2017(09)
博士论文
[1]超级电容器活性炭电极材料的孔径调控和表面改性[D]. 刘亚菲.同济大学 2008
本文编号：3348401
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