【摘要】：隨著化石燃料的枯竭,人們開始研究風(fēng)能、太陽能、潮汐能等眾多新能源,因此我們需要開發(fā)新型儲能裝置。在眾多的儲能裝置中,超級電容器由于其功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、溫度范圍寬、環(huán)保、免維護等一系列優(yōu)點引起了廣泛的關(guān)注。作為一種新型儲能裝置,在可穿戴的電子設(shè)備、電動汽車等領(lǐng)域中,超級電容器展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。電極材料是決定超級電容器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。目前,碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物是超級電容器的主要電極材料。鑒于此,本論文設(shè)計了如下幾個工作:(1)在水為溶劑,乙酸鈉存在的條件下,以FeCl_3·6H_2O為唯一鐵源、C_6H_(12)O_6為碳源,一步水熱合成了α-Fe_2O_3@C復(fù)合材料。通過X-射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、拉曼光譜儀(Raman)等表征手段對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、組成和形貌進行表征。并且利用電化學(xué)工作站,對α-Fe_2O_3@C復(fù)合材料進行循環(huán)伏安、恒電流充放電和交流阻抗等一系列的電化學(xué)性能測試。實驗中,葡萄糖用量的不同促使α-Fe_2O_3@C表面的粗糙度不同,因此電性能具有較大差異。結(jié)果表明,當(dāng)葡萄糖用量為1mmol時,α-Fe_2O_3@C復(fù)合材料的超級電容性能最優(yōu)異(1A/g時,比電容量為288 F/g),同時具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性(2000次循環(huán)后保留初始值的72.3%)。(2)以MnCl_2·4H_2O為唯一錳源、C_6H_(12)O_6為碳源、水為溶劑,在尿素存在的條件下,通過一步水熱法制備得到前驅(qū)體MnCO_3@C的復(fù)合材料,將前驅(qū)體MnCO_3@C在不同氣氛和溫度條件下處理,分別得到了MnO_2、Mn_2O_3、MnO及Mn_3O_4四種物相不同的錳的氧化物,并研究了前驅(qū)體及四種錳的氧化物的電化學(xué)性能。實驗結(jié)果顯示,前驅(qū)體MnCO_3@C在電流密度為1A/g時,比電容達到119.2 F/g,并且前驅(qū)體的循環(huán)穩(wěn)定性良好(在2A/g的電流密度下循環(huán)2000次后,比電容剩余64.8%)。四種物相不同的錳的氧化物中,Mn_2O_3的電化學(xué)性能最為優(yōu)異,具體表現(xiàn)為當(dāng)電流密度為1A/g時,比電容為248.8 F/g,同時電極材料Mn_2O_3的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異(在2A/g的電流密度下循環(huán)2000次后,比電容量依舊保留原來的76.1%)。(3)MOF材料是有機無機雜化材料,其特點是具有較大的比表面積且能控制孔的結(jié)構(gòu),因此得到了廣泛地關(guān)注。本文通過外延生長法制備出菱形正十二面體的ZIF-67@ZIF-8復(fù)合材料,再將該復(fù)合材料分別在氮氣和空氣中進行熱解處理,最終得到Co_3O_4@氮摻雜的多孔碳復(fù)合材料(Co_3O_4@N-PC)。實驗中,我們通過控制鋅鹽的用量來控制孔徑的大小。結(jié)果表明,用作超級電容器電極材料時,當(dāng)電流密度為1A/g,比電容值可以達到422.8F/g,同時該電極材料也擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,在2A/g的電流密度下循環(huán)5000圈后,電容量依舊保留87.9%。這些研究對于開辟探索金屬氧化物/碳電極材料具有指導(dǎo)性意義,并通過結(jié)構(gòu)和組成的改進來提高金屬氧化物/碳復(fù)合材料的超級電容性能。
【圖文】：

型的設(shè)計使得電容器具有 1F 的電容，并且高于相同尺寸的電解電容器[11]。Brian Evans 在 1975-1980 年期間著重研究了氧化釕，并開發(fā)了電化學(xué)電容器。他也提出了一種解釋：為什么超級電容器和電池在電化學(xué)儲能方面表現(xiàn)出不同的性能[12]，在這一時期，超級電容器已作為能源儲存設(shè)備用于時鐘芯片上。1982 年，在 Pinnacle 研究所首次開發(fā)出低內(nèi)阻的軍用超級電容器，并被稱為“PRI 超級電容器”。另一個實驗室 Maxwell 從 PRI 中優(yōu)先使用超級電容器這個術(shù)語，并在 1992 年將其命名為“BoostCaps”，以重點突出它們在能源儲存中的用途[13]。目前，超級電容器應(yīng)用于生活中的方方面面，比如柔性可穿戴電子設(shè)備，超級電容客車。能量密度和功率密度是我們衡量儲能裝置的重要指標(biāo)，而關(guān)于如何提高能量密度又是目前我們研究的重中之重，在圖 1.1 中我們可以看到能量密度公式為 E=CV2/2，因此提高能量密度的有效方法即為比電容量的提高以及工作電勢窗口的提升[14]，而影響電容的因素主要有：孔徑、比表面積、氧化還原電容和電導(dǎo)率，提高電壓窗口的方法主要有：有機電解液、離子性液體和不對稱超級電容器[15]。

圖 1. 2 超級電容器的分類Figure 1. 2 Classification of different supercapacitors.1.3.1 雙電層電容器雙電層電容器通常采用具有高比表面積的碳材料作為電極，，主要包括：碳?xì)�、活、碳纖維、碳?xì)饽z、以及當(dāng)前研究較為火熱的材料，比如碳納米管、碳納米片和烯[19]。其原理是利用電解液和電極兩者之間形成雙電層來存儲電荷的，其工作原理 1.3 所示。雙電層電容器的電容值可以表示為： = 4 （式 1.1 中， 是介電常數(shù)，s 是比表面積，d 是雙電層間的距離，從公式中可以看出高電容值主要是通過提高電極材料的比表面積來實現(xiàn)，使比表面積盡可能地大，鑒，雙電層電容器電極材料的研究主要致力于碳材料上。碳材料作為雙電層電容器的電極，其比表面積大、循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異、電勢窗口寬。但是碳基材料的缺點也是很
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王東杰;竺哲欣;竺江峰;;超級電容器技術(shù)及其低碳經(jīng)濟意義[J];物理通報;2011年02期

2 張治安,鄧梅根,胡永達,楊邦朝;電化學(xué)電容器的特點及應(yīng)用[J];電子元件與材料;2003年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 叢文博;聚苯胺及其復(fù)合材料電容性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 李陸;過渡金屬氧化物電極材料的制備及電化學(xué)儲能性能的研究[D];浙江大學(xué);2015年

本文編號：2649654