【摘要】：在全球經濟快速增長的時代,化石燃料消費的不斷增加以及環(huán)境的惡化刺激了對綠色和可再生能源的迫切需求,如太陽能和風能。這些可再生能源是間歇性的,需要能量存儲設備來調節(jié)智能電網(wǎng)的電力波動。并且,便攜式電子產品和電動汽車的爆炸式市場也引起了人們對開發(fā)各種能源存儲設備的巨大興趣。在新興的儲能技術中,超級電容器(SCs)由于其高功率密度、長循環(huán)壽命和快速充/放電能力已成為高效能量存儲設備之一,近年來引起了廣泛的關注。而SCs電荷的存儲都與電極材料密切相關,因此研究和開發(fā)具有高電容的電極材料是當前的研究熱點。研究者們在過去的幾年里廣泛研究了各種高性能的贗電容材料,如導電聚合物、過渡族金屬氧化物、氫氧化物和硫化物等。其中最有前景的電極材料為過渡族金屬氧化物,其具有高理論電容和多重的氧化態(tài)等優(yōu)點。例如具有大表面積的MnO_2、NiO、Co_3O_4和Fe_2O_3已被廣泛的應用于贗電容器(PCs)器件中。然而,單金屬氧化物作為電極材料時經過幾百個周期的循環(huán)之后結構會發(fā)生變化,因此它們表現(xiàn)出電導率低和循環(huán)性能差的缺點。近年來多元金屬氧化物由于其高導電性和優(yōu)異的電化學性能而引起廣泛的注意。具有尖晶石結構(AB_2O_4)的過渡族雙金屬氧化物是一種新型的可用于高性能SCs的贗電容材料。在AB_2O_4中,A和B分別代表兩個不同的過渡族金屬陽離子(Mn、Fe、Ni、Co、Zn和Mg等)。其中,鐵基過渡族雙金屬氧化物具有成本低、自然豐度高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。特別是,過渡族雙金屬氧化物NiFe_2O_4由于其優(yōu)異的電導率和電化學性能,與單金屬氧化物NiO和Fe_2O_3相比,更適合作為高性能的PCs材料。基于以上研究背景,本論文通過控制水熱反應的時間、溫度和原料,可控的合成了不同形貌的NiFe_2O_4,并從各種不同的形貌結構出發(fā),研究了材料的電化學性質,取得了以下研究成果:1.通過簡單的兩步水熱合成方法,在泡沫鎳基底上生長了分層的三維NiFe_2O_4@MnO_2核-殼納米片陣列。以NiFe_2O_4納米片為“核”,超薄的MnO_2納米薄片作為“殼”,在泡沫鎳上形成了這種獨特的三維核-殼結構。通過對其進行的贗電容測試,得到該復合電極在電流密度為10 m A cm~(-2)的條件下,比電容可以達到1391 F g~(-1),同時經過3000次循環(huán)后比電容僅損失11.4%。另外,還將NiFe_2O_4@MnO_2核-殼納米片陣列作為正極材料,活性炭(AC)作為負極,以2 M的KOH溶液為電解液組成非對稱超級電容器(ASC)。這種ASC器件在功率密度為174 W kg~(-1)時的能量密度可以高達45.2 W h kg~(-1),在經過3000次循環(huán)之后仍然保持了92.5%的比電容,顯示出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。2.通過一步簡單的水熱合成,直接在泡沫鎳基底上生長了三維分層的NiFe_2O_4@NiFe_2O_4核-殼納米片陣列結構。這種獨特的無添加劑/粘合劑的復合材料具有較大的比表面積,使其可以擁有良好的贗電容性質。在電流密度為5 mA cm~(-2)的條件下材料的比電容為1452.6 F g~(-1),經過3000次循環(huán)之后比電容保持了93.0%。為了進一步研究材料的電化學性質,將其組成ASC。該ASC在功率密度為367.3 W kg~(-1)時的能量密度可達33.6 W h kg~(-1)。對其進行循環(huán)穩(wěn)定性測試發(fā)現(xiàn),經過3000次循環(huán)之后,比電容保持了95.3%。3.以泡沫鎳為“犧牲模板”合成了三維rGO,然后在三維rGO基底的表面上通過一步水熱合成法合成了NiFe_2O_4蛋殼微球結構。將NiFe_2O_4/rGO復合材料組裝成半電池進行了電化學測試,在電流密度為100 mA g~(-1)的條件下比電容可達4000 mA h g~(-1),隨著電流密度增加到800 mA g~(-1)比電容仍然可達2000 mA h g~(-1)。同時,三維rGO正極也表現(xiàn)出良好的電化學性能。將制備的NiFe_2O_4/rGO復合材料作為負極材料,三維rGO作為正極,LiPF_6的有機溶液作為電解液設計并制作了一種鋰離子混合超級電容器(Li-HSC)“NiFe_2O_4/rGO//3D rGO”。其具有275.7 W h kg~(-1)的超高能量密度(功率密度為362.9 W kg~(-1)時)。在3809.1 W kg~(-1)的高功率密度下,其能量密度也保持了165.7 W h kg~(-1)。該Li-HSC具有可以與鋰離子電池(LIBs)相比較的高能量密度,同時功率密度也可以達到一般對稱超級電容器(SSC)的功率密度,說明混合超級電容是未來快速高效儲能的一種非常有前途的新型儲能體系。
【圖文】：

隨著全球人口數(shù)量和經濟的迅速增長以及混合動力汽車和便攜式電子設爆炸式應用，全球能源的消耗速度驚人[1, 2]。按照現(xiàn)在的趨勢，，全球能源在的將來很快就會枯竭。據(jù)報道，全球能源需求量到 2050 年會增加一倍，到 21可能會增加兩倍[3]。因此我們不僅需要尋找一種清潔、可持續(xù)和可再生的替源（如太陽能、風能和潮汐等等），而且也越來越迫切的需要開發(fā)先進、低和環(huán)保的能源轉換與存儲設備[1, 4]。燃料電池、鋰離子電池（LIBs）[5]和超級電容器[6, 7]（SCs）是最有效和最的電化學能量轉換儲存技術。圖 1.1 為各種能量存儲設備的功率密度和能量的比較，即能量比較圖[4]。從圖中可以明顯地看出 SCs 提供了比傳統(tǒng)電容器的能量密度和比電池更高的功率密度，這可以使 SCs 在傳統(tǒng)電容器和電池起到了一個橋梁的作用[8-10]。

1957 年通用電氣公司就提出了 SCs[11]的概念，然而直到 20 世紀 90 年s 才由于其功率密度高、倍率性能好、充/放電速度快、循環(huán)壽命長（＞100環(huán)）和成本低廉等優(yōu)點，開始引起科研工作者的關注[12]。近年來研究高功率密度設備的應用（如能源后備系統(tǒng)、便攜式移動設備、電氣/混車和其他設備等）上的研究呈現(xiàn)爆炸式增長[4, 13, 14]。圖 1.2 顯示的是 S發(fā)表文章數(shù)量與時間的關系。研究發(fā)現(xiàn)，SCs 在混合動力汽車中的主要其加速提供必要的動力和存儲制動能量[15]。SCs 的進一步發(fā)展使人們其在儲能過程中起到補充電池或燃料電池的作用，可作為備用電源以防突然中斷[4]。因此許多國家政府和企業(yè)也投入了大量的時間和金錢去探和開發(fā) SCs 儲能技術。最近幾年在 SCs 的理論研究和材料開發(fā)方面取進展[16-21]。然而，SCs 仍面臨著能量密度低、生產成本的挑戰(zhàn)。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM53

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 蔡靖;;低維金屬氧化物的物理化學性能分析[J];中學物理教學參考;2017年02期

2 宋曉鋒;;“燒糖成蛇”實驗改進[J];中學化學教學參考;2017年04期

3 李亞策;怎樣判斷金屬氧化物能否直接水化?[J];化學教學;1991年02期

4 房國麗;;含鉍多元金屬氧化物的研究現(xiàn)狀[J];寧夏工程技術;2011年04期

5 耿旺昌;吉志強;張秋禹;;介孔金屬氧化物的研究進展[J];材料導報;2010年07期

6 陳建欣;;關于金屬氧化物與酸的反應規(guī)律[J];常州教育學院學報(綜合版);1999年01期

7 林承志;金屬氧化物表面結構及其反應性[J];遼寧教育學院學報;1996年05期

8 ;含金屬氧化物的PE紫外降解與穩(wěn)定[J];合成材料老化與應用;1997年01期

9 PhilipH.Starmer,吳祉龍;金屬氧化物對羧基丁腈硫化膠性能的影響[J];合成橡膠工業(yè);1988年S1期

10 錢逸泰,陳祖耀,鄭國斌,黃允蘭;金屬氧化物之間的相互作用[J];中國科學技術大學學報;1988年03期

相關會議論文 前10條

1 戴洪興;王媛;Hamidreza Arandiyan;Jason Scott;Ali Bagheri;Rose Amal;;多孔金屬氧化物的制備及其催化應用[A];第十一屆全國環(huán)境催化與環(huán)境材料學術會議論文集[C];2018年

2 馬臻;任瑜;盧巖斌;Peter G.Bruce;;介孔過渡金屬氧化物催化脫除環(huán)境污染物[A];第六屆全國環(huán)境化學大會暨環(huán)境科學儀器與分析儀器展覽會摘要集[C];2011年

3 白玉;栗則;劉虎威;;富鋰金屬氧化物復合材料在表面輔助激光解吸附質譜中的應用[A];中國化學會第十八屆全國有機分析及生物分析學術研討會論文集[C];2015年

4 櫖恅i

本文編號：2679260