本文關(guān)鍵詞：碳布自支撐電極的制備及電化學(xué)性能研究

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【摘要】：面對(duì)日前持續(xù)嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問題,發(fā)展具有綠色,環(huán)保,高效的新能源材料和技術(shù)成果已經(jīng)迫在眉睫。超級(jí)電容器,介于二次電池和傳統(tǒng)靜電電容器的新型儲(chǔ)能器件,由于具有高功率密度,短的充放電時(shí)間和長的使用壽命,從而被認(rèn)為具有成為下一代能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化器件的巨大潛力。一直以來,落后的生產(chǎn)工藝技術(shù)和低的比能量密度成為了限制超級(jí)電容器發(fā)展的兩大主要因素,所以在保持高功率密度的同時(shí)提高它的能量密度和發(fā)展新的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)和手段成為當(dāng)下該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)制的差異,超級(jí)電容器可以分為基于碳材料的雙電層電容器,和依靠金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物發(fā)生的可逆電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的贗電容電容器。近年來,超級(jí)電容器的研究方向不僅僅是開發(fā)出新的電極材料,也包括了超級(jí)電容器器件的組裝與性能優(yōu)化。人們?cè)谧非蟾咝Ш?jiǎn)捷的生活方式的背后推進(jìn)了可穿戴移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展,柔性電子設(shè)備尤其是能源存儲(chǔ)器件的需求不斷增加。將活性材料負(fù)載或原位生長在多孔化的柔性基底上能消除傳統(tǒng)壓片工藝和添加粘結(jié)劑對(duì)器件電容性能和穩(wěn)定性的負(fù)面影響。本文將圍繞商業(yè)碳布作為集流體柔性基底和碳源分別做了系統(tǒng)工作研究�；诩饩牧蟽�(yōu)越的電導(dǎo)性能和多價(jià)態(tài)中心,設(shè)計(jì)合成了具有高比表面積,多孔的鈷酸鎳二維納米薄片結(jié)構(gòu)。同時(shí),本文打破了碳布僅僅作為集流體的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),基于碳布作為柔性基底和碳源的雙功能作用,通過化學(xué)氧化和射線輻照還原兩步法制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的核殼碳纖維碳布電極,并對(duì)該活化碳布電極材料體系的電化學(xué)性能做了評(píng)價(jià)和測(cè)試。本文的主要內(nèi)容概括如下:(1)基于原位生長鈷酸鎳二維納米碳布電極的固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器:采用水熱合成法我們首次使用P123和EG復(fù)合添加劑在碳布上原位生長了超薄的介孔網(wǎng)狀鈷酸鎳納米片。比較了不同的添加劑的條件下,得到的不同形貌鈷酸鎳活性材料的電化學(xué)性能。通過SEM和TEM圖表明,在加入P123和EG的同時(shí)得到了超薄的二維介孔納米片,而且這些納米薄片相互交錯(cuò)生長形成了三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利電解質(zhì)離子的傳輸,快速可逆的法拉第反應(yīng)的發(fā)生和電化學(xué)性能的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。納米薄片的以橋連的方式連接和鈷酸鎳自身優(yōu)越的電導(dǎo)性能提高了體系的導(dǎo)電性,原位碳布生長鈷酸鎳又消除了粘結(jié)劑對(duì)電解質(zhì)離子在活性材料中傳輸電阻和活性材料與基底的接觸電阻的影響。性能測(cè)試結(jié)果表明,我們得到鈷酸鎳電極材料在1 A/g的電流密度下具有高的比電容(1843.3 F/g),鈷酸鎳的碳布電極材料的比電容優(yōu)于先前報(bào)道的類似體系電容器的電容值。同時(shí)制備的碳布電極材料擁有好的倍率性能(在充電電流為32 A/g下仍能達(dá)到1481 F/g)和優(yōu)越的循環(huán)壽命(4000次電化學(xué)循環(huán)后比電容仍保持90%)。在此基礎(chǔ)上,我們組裝的柔性對(duì)稱器件在扭曲和彎曲的條件下保持很好電化學(xué)穩(wěn)定性,并且通過電化學(xué)測(cè)試,組裝得到的體系在保持高功率密度(14 kW/kg)的同時(shí),大幅提高了鈷酸鎳體系的能量密度(38.3Wh/kg)。(2)我們成功通過兩步法設(shè)計(jì)合成多孔的核殼碳纖維自支撐碳布電極并應(yīng)用于柔性超級(jí)電容器。這個(gè)工作里,我們創(chuàng)造性的將碳布展示了雙功能的作用:集流體和碳源。首先通過硝酸,濃硫酸,過氧化氫和高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑對(duì)商業(yè)碳布進(jìn)行化學(xué)氧化,增加碳布的化學(xué)性能和潤濕性,并在碳纖維表面成功的造孔。與此同時(shí)在碳纖維表面同時(shí)的引入了一些含氧官能團(tuán),然而這些官能團(tuán)會(huì)阻礙電化學(xué)雙電層電容過程中的電子傳輸和誘導(dǎo)電解質(zhì)的分解,隨后我們首次在KOH堿性溶液的條件下應(yīng)用Gamma射線輻照還原的方法在碳纖維表面去官能團(tuán)化,達(dá)到合成多孔的核殼碳纖維電極活性材料的目的。通過TEM和阻抗分析可以得到這種發(fā)達(dá)的多孔核殼碳纖維結(jié)構(gòu)擁有很小的內(nèi)阻,有利于雙電層電容的電子傳輸過程。實(shí)驗(yàn)表明,我們得到的多孔碳纖維碳布電極具有很高的負(fù)載量(12 mg/cm2),很高的面積電容(702 mF/cm2在1 mA/cm2的充電電流下),優(yōu)越的倍率性(在20mA/cm2仍能高達(dá)610 mF/cm2)和超長的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性(在不同的電流密度下進(jìn)行30000次電化學(xué)循環(huán)后能達(dá)到初始電容的110.5%)。這一發(fā)現(xiàn)大大提高了商業(yè)碳布的電容,整整提高了2018倍。進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn),我們基于活化碳布組裝的固態(tài)對(duì)稱的超級(jí)電容器具有很高的能量密度0.556 mW·h/cm~3。
【關(guān)鍵詞】：柔性超級(jí)電容器 碳布電極 鈷酸鎳 γ輻照 對(duì)稱超級(jí)電容器
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646.54;TM53
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-33
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介13-19
• 1.2.1 超級(jí)電容器的工作原理13-16
• 1.2.2 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)16-17
• 1.2.3 超級(jí)電容器的特點(diǎn)17-18
• 1.2.4 超級(jí)電容器的應(yīng)用18-19
• 1.3 超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展19-23
• 1.3.1 碳材料研究進(jìn)展19-21
• 1.3.2 金屬化合物研究進(jìn)展21-22
• 1.3.3 導(dǎo)電聚合物的研究進(jìn)展22-23
• 1.4 超級(jí)電容器面臨的問題23
• 1.5 本論文選題的背景意義及內(nèi)容23-24
• 參考文獻(xiàn)24-33
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)試方法33-41
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品33-34
• 2.2 材料的結(jié)構(gòu)和形貌表征34-36
• 2.2.1 X射線衍射分析34-35
• 2.2.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM)35
• 2.2.3 透射電子顯微照片 (TEM)35
• 2.2.4 拉曼光譜分析 (RAMAN)35
• 2.2.5 X射線光電子能譜35
• 2.2.6 氮?dú)馕矫摳綄?shí)驗(yàn)35-36
• 2.2.7 全反射傅里葉變換紅外光譜36
• 2.3 電極的制備和器件組裝36
• 2.4 電化學(xué)性能測(cè)試方法與計(jì)算36-38
• 2.4.1 三電極測(cè)試36-37
• 2.4.2 兩電極測(cè)試37
• 2.4.3 循環(huán)伏安法37
• 2.4.4 恒電流充放電37-38
• 2.4.5 電化學(xué)阻抗測(cè)試方法38
• 2.5 數(shù)據(jù)計(jì)算38-39
• 2.5.1 單電級(jí)比電容的計(jì)算方法38
• 2.5.2 對(duì)稱超級(jí)電容器比電容的計(jì)算38-39
• 2.5.3 能量密度和功率密度的計(jì)算39
• 參考文獻(xiàn)39-41
• 第三章 水熱法制備鈷酸鎳/碳布自支撐電極及其電化學(xué)性能41-62
• 3.1 引言41-42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分42-43
• 3.3 材料的表征43-49
• 3.4 電化學(xué)性能測(cè)試49-58
• 3.5 本章小結(jié)58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 第四章 化學(xué)氧化法合成具備高電化學(xué)性能的碳布電極62-70
• 4.1 引言62-63
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法63
• 4.3 材料表征和性能測(cè)試63-68
• 4.4 本章小結(jié)68
• 參考文獻(xiàn)68-70
• 第五章 兩步法合成具備高電化學(xué)性能的碳布活化電極70-84
• 5.1 引言70-71
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過程71
• 5.3 材料表征和性能測(cè)試71-81
• 5.4 本章小結(jié)81
• 參考文獻(xiàn)81-84
• 第六章 總結(jié)與展望84-86
• 6.1 總結(jié)84-85
• 6.2 展望85-86
• 攻讀學(xué)位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文86-88
• 致謝88-89

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