【摘要】：超級電容器作為一種新型的儲能器件,以其高功率密度、長循環(huán)壽命、安全穩(wěn)定等特點受到廣泛的關(guān)注,并越來越多地應(yīng)用于快速充放電場合和能源自給型設(shè)備。然而商業(yè)超級電容器的低能量密度(一般為碳材料,不超過10 Wh kg~(-1))限制了其進一步應(yīng)用。一般來說,超級電容器的儲能性能很大程度上依賴于其電極材料。氮摻雜碳材料中氮原子摻雜進入sp~2雜化的碳層,在提高了碳材料能量存儲能力的同時可以保持良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。目前這類材料已報道的比電容可高達855 F g~(-1),然而粉末狀的多孔材料氮摻雜材料需要借助借助導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑制備成電極,這些非活性物質(zhì)的引入拉低了電極的整體性能。而不需添加劑的氮摻雜碳材料的自支撐膜電極性能有待進一步提高,其比容量一般不超過340 F g~(-1),且倍率性能較差。這主要是由于目前常用的制備多孔氮摻雜碳材料的方法如化學(xué)氣相沉積、化學(xué)活化等方法難以在自支撐膜的制備中應(yīng)用。同時具備高能量密度、良好倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的自支撐柔性電極的實現(xiàn)是一個挑戰(zhàn)。凝膠現(xiàn)象廣泛地應(yīng)用于氮摻雜多孔塊體材料的制備,然而受材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性所限,其較少用于膜電極材料的制備中。因此,本文利用凝膠策略和柔性襯底相結(jié)合的制備方法,獲得了一系列具有相互連通大孔結(jié)構(gòu)的柔性自支撐氮摻雜碳材料膜電極,一方面其相互連通的大孔結(jié)構(gòu)有利于離子的傳輸和吸脫附,另一方面其均勻的氮摻雜和石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了穩(wěn)定的電子快速轉(zhuǎn)移通道,獲得了較高的質(zhì)量比容量和能量密度。1.氮摻雜石墨烯柔性膜的可控制備我們首先利用吡咯作為含氮交聯(lián)劑,使氧化石墨烯(GO)分散液形成凝膠。采用真空抽濾的方法,并以薄層GO底層作為凝膠的柔性載體,經(jīng)過后續(xù)的冷凍干燥以及高溫?zé)峤獾倪^程,得到自支撐的氮摻雜石墨烯柔性膜。通過調(diào)節(jié)含氮交聯(lián)劑的用量,獲得了一系列不同氮摻雜量的自支撐氮摻雜石墨烯膜(NG-x)。我們對它們分別進行了形貌、結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)NG-3膜呈現(xiàn)出豐富的相互連通的大孔結(jié)構(gòu)以及最優(yōu)異的電化學(xué)性能。結(jié)構(gòu)中氮原子有效地摻入碳sp~2結(jié)構(gòu)中,氮含量為3.27%。在1 A g~(-1)的電流密度下,可取得455.4 F g~(-1)的比容量。在5 A g~(-1)下,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。2.基于氮摻雜石墨烯柔性膜的高能量密度的獲得我們在上述結(jié)果基礎(chǔ)上,利用與NG-3相同的制備比例,以凍干后未熱解的氣凝膠膜片為骨架,在不同吡咯濃度的反應(yīng)液中復(fù)合聚吡咯,得到一系列聚吡咯復(fù)合的石墨烯氣凝膠膜片。這些石墨烯/聚吡咯復(fù)合膜具有和NG-3相似的雙層大孔結(jié)構(gòu)。進一步地,我們用NG-3作為負極,聚吡咯復(fù)合氣凝膠膜片作為正極,組裝成不對稱超級電容器。其工作電壓窗口可達1.7 V,在849.8 W kg~(-1)的功率密度下獲得了34.5 Wh kg~(-1)的較高能量密度,并且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。3.高氮摻雜量的氮摻雜碳材料柔性膜的制備及其不對稱超級電容器的組裝與測試這一部分工作中,我們利用相似的凝膠化策略探索氮摻雜柔性膜的大面積低成本制備。以GO/CNT水凝膠作為起始物質(zhì),將其滴涂在柔韌的薄層PAN(聚丙烯腈)膜柔性襯底上,進一步經(jīng)過聚合、熱解后得到自支撐的柔性膜。隨后一系列表征發(fā)現(xiàn)該柔性膜顯示了雙層相互連通的大孔結(jié)構(gòu),并具有9.1%的氮摻雜量。其對稱超級電容器在1 A g~(-1)的電流密度下,能取得351.6 F g~(-1)的比容量。電流密度增大至20 A g~(-1)時,仍能保持55.7%的電容保持率。將熱解前后的兩個膜片組裝成不對稱超級電容器,可實現(xiàn)1.7 V的工作窗口。當(dāng)功率密度為850.2 W kg~(-1)時,能取得60.6 Wh kg~(-1)的能量密度,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TQ127.11;TM53
【圖文】：

儲能器件的能量密度和功率密度的對比關(guān)系圖(電子設(shè)備包括健康監(jiān)測器、電子傳感器、術(shù)發(fā)展迅速，已然成為令人矚目的研究領(lǐng)力，柔性電子設(shè)備品種增多，其發(fā)展可能經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。器概述器的分類和原理電化學(xué)電容器，是一種新型的能量儲存器解液等部分組成。其儲能機制分為兩種：這兩種儲能機理，可分成三種電容器：1.雙；3.雜化型電容器(前兩者的混合存儲)。超

以雙電層電容器比傳統(tǒng)電容器具有更大的能量密度。不同于傳統(tǒng)極間的電解液一般為 KOH、H2SO4、Na2CO3等。電極表面電荷液中的離子吸附和晶體晶格缺陷的表面分解[10]。這些過程都通過成。圖 1-2 (a)表明雙電層電容器依靠電極材料顆粒產(chǎn)生電容，比間的界面上，在電極材料表面有過多或者過少的電荷積累，電解的離子聚集在界面的電解液這邊，與電極表面的電荷達成平衡。上，電子從負極移到正極。在電解液中，陽離子移向負極，陰離與充電過程相反。從充放電過程可以看出，在電極和電解液的界且在電極和電解液中沒有凈離子交換，也就是說電荷是相互平衡濃度在充放電過程中保持不變。雙電層電容器就是依靠這樣的方1-2 (b)闡述了表面帶有正電荷的多孔電極產(chǎn)生的雙電層的結(jié)構(gòu)(Ste散層中所包含的負電荷都對雙電層電容有貢獻。

金屬氧化物(RuO2、MnO2、LaMnO3lyaniline(PANI) 、 Polyethylene d某些異原子摻雜的碳材料[43]，近幾而被廣泛研究。法拉第準(zhǔn)電容儲能包解液離子在內(nèi)的氧化還原反應(yīng)；導(dǎo)機理，所以電極材料的表面積對性能應(yīng)是個體相過程，因此表面積并不會僅發(fā)生在電極表面，在整個電極內(nèi)部器比雙電層電容器具有更大的比電容容器往往具有相對較低的功率密度[4器和電池一樣具有較差的循環(huán)穩(wěn)定性

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 擺玉龍;;超級電容器電極材料的研究進展[J];新疆化工;2011年03期

2 ;中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院石墨烯基超級電容器研制成功[J];中國建材資訊;2017年04期

3 林曠野;劉文;陳雪峰;;超級電容器隔膜及其研究進展[J];中國造紙;2018年12期

4 程錦;;超級電容器及其電極材料研究進展[J];電池工業(yè);2018年05期

5 曾進輝;段斌;劉秋宏;蔡希晨;吳費祥;趙盼瑤;;超級電容器參數(shù)測試與特性研究[J];電子產(chǎn)品世界;2018年12期

6 劉永坤;姚菊明;盧秋玲;黃錚;江國華;;碳纖維基柔性超級電容器電極材料的應(yīng)用進展[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2019年01期

7 季辰辰;米紅宇;楊生春;;超級電容器在器件設(shè)計以及材料合成的研究進展[J];科學(xué)通報;2019年01期

8 余凡;熊芯;李艾華;胡思前;朱天容;劉蕓;;金屬-有機框架作為超級電容器電極材料研究的綜合性實驗設(shè)計[J];化學(xué)教育(中英文);2019年02期

9 王蕾;;伊朗讓紙變成“超級電容器” 可快速充放電[J];新能源經(jīng)貿(mào)觀察;2018年12期

10 李夢格;李杰;;超級電容器的原理及應(yīng)用[J];科技風(fēng);2019年13期

相關(guān)會議論文 前10條

1 李艷;張升明;張振興;;高性能錳摻雜鉬酸鎳納米結(jié)構(gòu)非對稱超級電容器[A];2019年第四屆全國新能源與化工新材料學(xué)術(shù)會議暨全國能量轉(zhuǎn)換與存儲材料學(xué)術(shù)研討會摘要集[C];2019年

2 王凱;張熊;孫現(xiàn)眾;李晨;安亞斌;馬衍偉;;高性能超級電容器的關(guān)鍵材料與器件研究[A];第五屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2018年

3 王振兵;;奧高性能石墨烯基超級電容器開發(fā)及其應(yīng)用研究[A];第五屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2018年

4 馬衍偉;張熊;王凱;孫現(xiàn)眾;李晨;;高性能超級電容器的研究[A];第五屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2018年

5 代杰;汪匯源;譚X>予;隋剛;楊小平;;二硫化鉬/中空碳球復(fù)合材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題I：能源高分子[C];2017年

6 時志強;;開啟電力能量儲存與利用的新時代?——超級電容器技術(shù)與應(yīng)用進展[A];2018電力電工裝備暨新能源應(yīng)用技術(shù)發(fā)展論壇報告集[C];2018年

7 馬衍偉;張熊;孫現(xiàn)眾;王凱;;高性能超級電容器及其電極材料的研究[A];第三屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2016年

8 邱介山;于暢;楊卷;;超級電容器用功能二維納米碳材料的合成及功能化[A];第三屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2016年

9 孟月娜;武四新;;高倍率性的碳納米管基柔性超級電容器電極[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第二十九分會：電化學(xué)材料[C];2016年

10 潘偉;薛冬峰;;鐵基超級電容器[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第四十二分會：能源納米材料物理化學(xué)[C];2016年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 山科;煤基電容炭有望規(guī)�；a(chǎn)[N];中國化工報;2014年

2 實習(xí)生 邱銳;碳納米管超級電容器問世[N];中國科學(xué)報;2012年

3 記者 來蒞;中國超級電容器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)國際論壇在北海舉行[N];北海日報;2019年

4 記者 楊保國 通訊員 周慧;合肥工業(yè)大學(xué)等 研發(fā)可實時修復(fù)的伸縮型超級電容器[N];中國科學(xué)報;2019年

5 見習(xí)記者 魯珈瑞;開辟超級電容新路徑[N];中國電力報;2019年

6 重慶商報-上游新聞記者 鄭三波;“重慶造”超級電容器亮相[N];重慶商報;2019年

7 重慶商報-上游新聞記者 韋s

本文編號：2800049