本文關(guān)鍵詞：水系超級(jí)電容器電極材料的制備、表征與電化學(xué)性能研究

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【摘要】：化石燃料廣泛使用使得全球經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng),同時(shí)也帶來(lái)了兩問(wèn)題。一是加速了化石燃料的耗盡,二是帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題,如加速了溫室氣體的排放、導(dǎo)致了水和空氣的污染。如何在可持續(xù)發(fā)展下開(kāi)發(fā)新的清潔能源是世界各地共同關(guān)心的主要問(wèn)題,也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。為了實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和使用清潔的可再生能源,人類社會(huì)離不開(kāi)發(fā)展和使用先進(jìn)能源存儲(chǔ)技術(shù)。如今世界大部分國(guó)家使用的可再生的清潔能源都是依賴太陽(yáng)能、風(fēng)力和其他可再生能源。但是,這些能源的輸出為氣象條件、地域以及時(shí)間等因素所限制,并且發(fā)生某些地區(qū)能源過(guò)剩而有些地區(qū)能源不足的情況,因此,有必要開(kāi)發(fā)能量?jī)?chǔ)存及轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。電池,燃料電池,和電化學(xué)超級(jí)電容器被公認(rèn)為是三種最重要的電化學(xué)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換設(shè)備。超級(jí)電容器學(xué)術(shù)上也叫電化學(xué)電容器。由于該裝置具有在數(shù)秒內(nèi)進(jìn)行完全充放電、其循環(huán)性能極好、而且功率密度高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起廣泛的關(guān)注。按照儲(chǔ)能機(jī)理的不同,分為:1)雙電層電容器,該類型電容器儲(chǔ)能原理是通過(guò)在電解質(zhì)與電極之間的界面上所形成的雙電層電容,因而具有很高的功率密度和極好的循環(huán)性能;2)拉第贗電容器,該類型電容器儲(chǔ)能原理是表面或其附近發(fā)生的迅速可逆離子嵌入/脫出或氧化還原反應(yīng);3)混合型超級(jí)電容器,該類型電容器的兩個(gè)電極采用的儲(chǔ)能機(jī)理是不同的,其中一個(gè)電極選用非雙電層電容類電極材料如金屬氧化物,另外一個(gè)電極選用雙電層電容類的電極材料如活性炭。影響綠色儲(chǔ)能器件電化學(xué)性能的主要因素有電極材料與電解液,以及它們之間的匹配關(guān)系。相比有機(jī)電解質(zhì)溶液,水溶液作為電解質(zhì)的超級(jí)電容器在能源存儲(chǔ)系統(tǒng)有著更重要的角色。例如,使用水系電解液與有機(jī)系電解液相比,具有高離子導(dǎo)電性,因而具有更好的功率密度。此外,水系電解液相比有機(jī)電解液還具有價(jià)格便宜、環(huán)境污染小、安全性能好以及操作更加方便等優(yōu)勢(shì)。綜上所述,水系電解液相比有機(jī)電解液更適合作為超級(jí)電容器的電解液。本篇論文主要對(duì)水系超級(jí)電容器電極材料的制備、表征和電化學(xué)性能研究,主要工作如下:本工作研究重心圍繞在制備和研究適合于水系超級(jí)電容器的電極材料,并對(duì)目前廣泛研究的一些電極材料進(jìn)行改進(jìn),在提高材料能量密度的同時(shí)改善其循環(huán)性能等。本論文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)果主要包括以下3部分:(1)用常規(guī)的溶液反應(yīng)制備MOF-5,并使其在高溫下發(fā)生碳化得到具有高比表面積的多孔碳(PC)材料。BET測(cè)試表明該多孔碳具有高達(dá)2618.7m2g-1的比表面積以及豐富的孔。以該P(yáng)C為電極材料,其單電極比電容可達(dá)到148.8Fg-1在電流密度5Ag-1的時(shí)候,甚至電流密度為50Ag-1的時(shí)候,其比電容依然高達(dá)136.6Fg-1。當(dāng)我們使用PVA/Na2SO4凝膠作為電解液組裝了PC/Na2SO4/PVA/PC對(duì)成型超級(jí)電容器后,發(fā)現(xiàn)該電容器在0~1.8V的電壓窗口下具有良好的充放電循環(huán)性能,在10Ag-1的電流密度下充放電循環(huán)10000次比電容僅損失5.2%�；赑C/Na2SO4/PVA/PC對(duì)成型超級(jí)電容器在449.9Wkg-1的功率密度下,能量密度分別有17.37Whkg-1,當(dāng)功率密度增加至13516.4Wkg-1時(shí),能量密度依然為8.26Whkg-1。(2)水熱法合成了NiO@CNT納米復(fù)合材料,以NiO@CNT為正極材料、活性炭為負(fù)極,在6molL-1KOH作為電解液的水溶液中組裝了一種高能量密度和功率密度的混合型超級(jí)電容器。該電容器的充放電窗口為0~1.4V,其能量密度到達(dá)52.6Whkg-1。該電容器在10Ag-1的大電流密度下進(jìn)行可逆的充放電循環(huán),經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)后電容保持率為88%。這主要是歸功于在循環(huán)過(guò)程中CNT提供一個(gè)很好的基底支撐NiO是的其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。(3)制備PPy@MoO3/rGO復(fù)合材料。該復(fù)合材料在2molL-1KOH水溶液中表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。研究表明,PPy@MoO3/rGO納米復(fù)合物比未與石墨烯復(fù)合的PPy@MoO3具有更高的容量性能和更小的等效串聯(lián)電阻。PPy@MoO3/rGO納米復(fù)合材料在電流密度為500mAg-1時(shí),其比電容為124Fg-1;對(duì)比PPy@MoO3材料在同樣的電流密度下比電容為96Fg-1,其比電容提高了29.2%。經(jīng)過(guò)600次充放電循環(huán)后,PPy@MoO3/rGO復(fù)合電極材料的容量保持率為88%。
【關(guān)鍵詞】：綠色儲(chǔ)能器件 納米復(fù)合材料 電化學(xué)電容器 電極材料 水熱法 多孔碳 NiO MoO3
【學(xué)位授予單位】：江西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB33;TM53
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 第一章 緒論10-29
• 前言10-11
• 1.1 電化學(xué)電容器11-12
• 1.2 雙電層電容器12-14
• 1.2.1 AC//AC型13-14
• 1.3 贗電容電容器14-18
• 1.3.1 過(guò)渡金屬氧化物基超級(jí)電容器15-16
• 1.3.2 導(dǎo)電聚合物基超級(jí)電容器16-18
• 1.4 混合型電容器18-21
• 1.4.1 碳納米管//MnO_2體系19-20
• 1.4.2 活性炭//NiO體系20-21
• 1.4.3 活性炭//PbO_2體系21
• 1.5 本論文的研究目的和內(nèi)容21-23
• 參考文獻(xiàn)23-29
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分29-35
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品29-30
• 2.2 主要儀器30-31
• 2.3 電極材料的組成、結(jié)構(gòu)和形貌表征31-32
• 2.3.1 X-射線衍射（X-ray diffraction, XRD）31
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope ,SEM）31
• 2.3.3 電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ Inductively coupled plasma emission spectrum, ICP ）31
• 2.3.4 透射電子顯微鏡（Transmission electron microscopy, TEM）31
• 2.3.5 熱重分析（Thermogravimetric, TG）31-32
• 2.4 材料的電化學(xué)性能測(cè)試32-33
• 2.4.1 電極片的制備32
• 2.4.2 循環(huán)伏安測(cè)試（Cyclic voltammograms, CV）32
• 2.4.3 恒流充放電測(cè)試（galvanostatic charge-discharge ,GC）32
• 2.4.4 交流阻抗測(cè)試32-33
• 2.4.5 電化學(xué)循環(huán)測(cè)試后電極的表征33
• 2.5 相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算33-34
• 2.5.1 單電極比電容的計(jì)算33
• 2.5.2 電容器比電容、能量和功率密度的計(jì)算33-34
• 參考文獻(xiàn)34-35
• 第三章 高比表面積多孔碳的制備與電化學(xué)性能研究35-48
• 3.1 引言35
• 3.2 PC電極材料的制備35-36
• 3.3 PC的物理表征36-38
• 3.3.1 PC的形貌表征36-38
• 3.4 PC材料電極的電化學(xué)性能測(cè)試38-41
• 3.4.1 循環(huán)伏安研究38-39
• 3.4.2 恒流充放電研究39-40
• 3.4.3 倍率性能測(cè)試40-41
• 3.5 固態(tài)對(duì)稱型電容器PC/Na2SO_4/PVA/PC的電化學(xué)性能測(cè)試41-44
• 3.5.1 循環(huán)伏安測(cè)試41-42
• 3.5.2 恒流充放電測(cè)試42-43
• 3.5.3 循環(huán)性能43-44
• 3.5.4 倍率性能測(cè)試44
• 3.6 小結(jié)44-45
• 參考文獻(xiàn)45-48
• 第四章 NiO@CNT正極材料的制備與電化學(xué)性能的研究48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 NiO和NiO@CNT電極材料的制備48-50
• 4.3 NiO@CNT的結(jié)構(gòu)和形貌特征50-52
• 4.4 NiO@CNT的電化學(xué)性能52-56
• 4.4.1 循環(huán)伏安研究52-53
• 4.4.2 充放電性能測(cè)試53-54
• 4.4.3 電化學(xué)阻抗測(cè)試54-55
• 4.4.4 循環(huán)性能55
• 4.4.5 全超級(jí)電容器倍率性能測(cè)試55-56
• 4.5 小結(jié)56-57
• 參考文獻(xiàn)57-61
• 第五章 PPy@MoO_3/rGO復(fù)合材料電化學(xué)性能研究61-70
• 5.1 引言61
• 5.2 PPy@ MoO_3/rGO復(fù)合材料的合成61-62
• 5.3 納米帶狀MoO_3及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和形貌表征62-63
• 5.4 PPy@MoO_3/rGO納米復(fù)合物材料在水溶液中的電化學(xué)性能63-67
• 5.4.1 循環(huán)伏安研究63-64
• 5.4.2 交流阻抗研究64-65
• 5.4.3 充放電性能測(cè)試65-66
• 5.4.4 循環(huán)性能測(cè)試66-67
• 5.5 小結(jié)67
• 參考文獻(xiàn)67-70
• 第六章 結(jié)論和展望70-72
• 6.1 結(jié)論70-71
• 6.2 展望71-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文及專利72-74
• 致謝74

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本文編號(hào)：517207