【摘要】：超級電容器是一種基于雙電層吸附或表面氧化還原反應或體相插層反應的新型儲能器件,它的性能介于物理電容器和二次電池之間。因其具有的高功率密度、快速沖放電的性能和超長的循環(huán)壽命等優(yōu)點,被廣泛用于許多相關領域中。隨著現(xiàn)今社會對儲能器件能量密度的要求越來越高,超級電容器能量密度低的缺點逐漸被暴露出來。因此如何提高超級電容器的能量密度是目前和未來儲能器件的研究重點之一。“Water-in-Salt”(WIS)電解液是一種被廣泛用于水系高壓鋰離子電池的新型電解液,具有完全不可燃性和寬的電化學穩(wěn)定電壓窗口(Electrochemical stable voltage window,ESW)等優(yōu)點。這類電解液的寬ESW特點不僅僅帶來了高的工作電壓,同時讓更多的高容量電極材料可以進行完整的電化學儲能行為,這些特點使得使用該類電解液的儲能器件具有更高的能量密度。本論文主要的研究內容和結論如下:(1)以聚苯胺為原料通過簡單的碳化和活化過程得到了具有高比表面積和合理孔徑分布的聚苯胺碳納米棒,以其作為電極材料與WIS電解液組裝了水系對稱超級電容器。該超級電容器工作電壓為2.2 V、比容量44 F g~(-1),同時還具有優(yōu)良倍率性能和長循環(huán)壽命的特點。此外,該超級電容器的能量密度和功率密度分別達到了29.6 Wh kg~(-1)和1.1 kW kg~(-1),高于近期已見諸報道的大多數水系對稱超級電容器。本工作為研究高能量密度水系超級電容器提供了一種新的策略。(2)基于有機溶劑/WIS混合電解液,研究了有機溶劑的種類和混合電解液的三元配比對混合電解液物理化學性能的影響。以四種不同結構的有機溶劑作為添加劑加入到21 m WIS電解液中,研究其對21 m WIS電解液物理化學性能的影響。通過對上述混合電解液表現(xiàn)出的性能研究分析發(fā)現(xiàn),添加乙腈是改善21 m WIS電解液高粘度和低離子電導率的最有效方法。在此基礎上進一步研究了不同配比下雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)/H_2O/乙腈三元混合電解液出現(xiàn)的物理化學性能的變化,并繪制三元相圖。利用三元相圖給出了該類三元混合電解液的最佳配比。利用優(yōu)化后最佳配比的混合電解液和商業(yè)活性碳成功地構筑了高電壓、優(yōu)良倍率性能和超長循環(huán)壽命的對稱超級電容器。本工作不僅有助于混合電解液的深入研究,而且也有利于高能量密度的安全對稱超級電容器的進一步開發(fā)。
【學位授予單位】：安徽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM53
【圖文】：

圖 1.1 超級電容器的分類Figure 1.1 Classification of supercapacitors.1.1.1 雙電層電容器雙電層電容器（electric double-layer capacitors, EDLCs）是最簡單和商業(yè)化最廣泛的一種超級電容器，它是利用靜電吸附作用將電解液中的帶電離子在電極-電解液界面處形成雙電層電容而完成儲能[10]。在這種儲能過程中，電解液和電極材料均不發(fā)生物質變化（無法拉第反應）。而對電池而言則會存在物質上的變化，這些變化最終會導致電極材料發(fā)生不可逆形變，使得其壽命減少。因此，相對電池來說電容器不僅有快速充放電能力，而且還有著超長的循環(huán)壽命[11]。雙電層模型最早是由德國的 Helmholtz 所提出，他將由電極兩側緊密富集反向電荷所形成相互平行的帶電層稱為雙電層（圖 1.2 a）。其中溶液離子層緊密吸附在電極表面，電極表面內的電荷層與溶液中的離子層之間的距離為 a/2（a 為離子半徑）[12]研究者們在上述理論基礎上進一步考慮了由于分子熱運動而產生的影響，提出了由

這一模型是最為靠近現(xiàn)實的雙電層模型（圖1.2b）[13]。雙電層電容器的儲能機理決定它的電容與電勢不產生相關性。在循環(huán)伏安（CV）曲線上體現(xiàn)為其在充放電過程中電流是恒定值，在恒流充放電（GCD）曲線中則表現(xiàn)為具有恒定斜率值的曲線。因此，雙電層電容器的比容量可以通過 CV、GCD 和交流

第一章述三種計算方式均適用于雙電層電容器，且均適用于三電極和雙電極體 贗電容電容器電容電容器是一種與雙電層電容器完全不同的超級電容器，它通過電荷電極材料表面或近表面發(fā)生的快速可逆氧化還原反應（法拉第反應）儲能[材料與電池材料的儲能機制相比較而言，贗電容材料的儲能行為發(fā)生在材近表面，最終所展現(xiàn)出的還是類似于雙電層呈現(xiàn)的靜電電容，而電池材料發(fā)生在電極材料深層次，利用的是可逆性差的氧化還原反應，同時材料也的物質變化。具有贗電容現(xiàn)象的電極材料大多為金屬氧化物，如：MnO2、Nb3)等[17]。

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