超級(jí)電容器的發(fā)展是加速全球化石燃料淘汰進(jìn)程中的重要環(huán)節(jié)。相較于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置,超級(jí)電容器的蓬勃發(fā)展是因?yàn)槠涑叩难h(huán)壽命特性以及在功率密度上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在超級(jí)電容器的電極材料中,以石墨烯為代表的碳材料在超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。但是,石墨烯昂貴的制造成本及其復(fù)雜的制備工藝使得石墨烯遲遲未能廣泛地走進(jìn)生活生產(chǎn)應(yīng)用之中,因而衍生出了作為石墨烯廉價(jià)替代品的類(lèi)石墨烯二維碳材料的及對(duì)其的廣泛研究。但同時(shí)單一結(jié)構(gòu)和組分的碳材料在性能上的提升空間也已十分有限,進(jìn)而使得研究者更多地關(guān)注于通過(guò)對(duì)碳材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)建以及引入多維組分來(lái)為材料的性能創(chuàng)造更多的發(fā)揮空間。因此,一種基于二維碳材料結(jié)構(gòu)和組分優(yōu)化調(diào)控的合成策略將為碳材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域的發(fā)展重新注入強(qiáng)勁的動(dòng)力。本文基于“凝膠-自蔓延”法的宏量制備策略,依次對(duì)二維碳材料實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)調(diào)控和組分調(diào)控。本文通過(guò)對(duì)凝膠前驅(qū)體的快速熱處理,利用自蔓延反應(yīng)特性使凝膠被“吹”成大尺寸的二維碳納米片,實(shí)現(xiàn)了材料的宏量制備。在隨后的工作中本文將硝酸鎳引入實(shí)驗(yàn)體系,以孔隙構(gòu)建的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維碳納米片的結(jié)構(gòu)調(diào)控。本文進(jìn)一步在熱處理過(guò)程中引入碳源,在二維碳納米片上... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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常見(jiàn)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的Ragone曲線圖[3]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1-2不同儲(chǔ)能裝置的電荷存儲(chǔ)機(jī)制圖[56]圖1-3為典型的EDLC的儲(chǔ)能機(jī)理圖，并以活性炭電極為例：正負(fù)極為附著在導(dǎo)電集流體上的固態(tài)活性炭電極，并且兩個(gè)電極通過(guò)絕緣隔膜分隔開(kāi)。電極和隔膜之間為液體電解質(zhì)，常用的堿性電解液為KOH溶液，酸性電解液為H2SO4溶液，中性電解液為Na2SO4溶液。在超級(jí)電容器未接通電源時(shí)，電解質(zhì)離子在電解液中均勻排布，此時(shí)電解液中電勢(shì)為平衡狀態(tài)，正負(fù)極無(wú)電勢(shì)差。當(dāng)超級(jí)電容器接通電源后，器件在電源供電下開(kāi)始充電。正極電勢(shì)偏離原先的平衡位置增大，與負(fù)極產(chǎn)生電勢(shì)差，導(dǎo)致電解液中帶正負(fù)電荷的離子分別朝著電極的陽(yáng)極和陰極的位置移動(dòng)。對(duì)于雙電層電容器而言，此時(shí)電極材料的豐富表面和多孔結(jié)構(gòu)為吸附在電極附近的電荷提供了容納空間，而更多的容納空間意味著裝置能夠儲(chǔ)存更多的能量。電荷吸附在電極表面的同時(shí)，也在不斷地改變裝置內(nèi)部的電勢(shì)差，使其最終達(dá)到與外電路電勢(shì)差平衡。此時(shí)電荷運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力幾乎為0，達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，此時(shí)也對(duì)應(yīng)著材料在該電壓下能夠儲(chǔ)存的最大容量。放電過(guò)程則相反，具有一定能量?jī)?chǔ)備的超級(jí)電容器與外電路接通時(shí)，隨著儲(chǔ)存在電極中的電子不斷地轉(zhuǎn)移到外電路對(duì)外做功，吸附在電極上的正負(fù)離子在濃差驅(qū)動(dòng)下也逐漸脫附到電解液中。因此，如何在電解質(zhì)離子吸附時(shí)為其提供更多的吸附位點(diǎn)，以及如何使得電荷的吸脫附過(guò)程更加快速并且使反應(yīng)更加充分的進(jìn)行是超級(jí)電容器電極材料材料的研究重點(diǎn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1-3典型的雙電層電容器的儲(chǔ)能機(jī)理圖[57]通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容器在宏觀上的容量和電荷存儲(chǔ)性能離不開(kāi)電極材料的在微觀結(jié)構(gòu)上的行為表現(xiàn)。雖然超級(jí)電容器的電容量和電極材料的比表面積緊密相關(guān)，但是各種材料表現(xiàn)出來(lái)的電容量隨著比表面積的增加并不是簡(jiǎn)單地線增長(zhǎng)關(guān)系。這是因?yàn)殡姌O材料在與電解液相接觸的時(shí)候，并不是所有的表面能能夠展現(xiàn)出來(lái)，而只有那些能夠參與電化學(xué)行為的表面才能被稱為電化學(xué)活性表面。隨著近幾年對(duì)超級(jí)電容器材料的深入研究人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單一結(jié)構(gòu)或組分的材料來(lái)說(shuō)，性能的提升已經(jīng)不具備廣闊的空間。因此，研究者在致力于開(kāi)發(fā)新的儲(chǔ)能材料同時(shí)，將更多的工作投入于在現(xiàn)以有材料的基礎(chǔ)上通過(guò)材料采取相關(guān)的優(yōu)化調(diào)控手段來(lái)提升材料電化學(xué)活性表面，從而達(dá)到對(duì)材料性能改進(jìn)的目的。2017年Lou[58]等人構(gòu)建了一種多級(jí)結(jié)構(gòu)的中空碳纖維。如圖1-4所示，課題組利用常見(jiàn)的沸石咪唑骨架材料ZIF-8作為摻雜物，將其摻雜到聚丙烯腈纖維中，然后通過(guò)靜電紡絲制備氮摻雜碳纖維（CNF-N）。最后通過(guò)熱處理和化學(xué)蝕刻工藝，得到多級(jí)結(jié)構(gòu)的中空氮摻雜碳纖維（HPCNF-N）。分級(jí)結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)使得由HPCNF-N作為電極材料組裝得到的超級(jí)電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。當(dāng)器件的功率密度為250W/kg時(shí)能量密度可達(dá)10.98Wh/kg。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[5]活性炭基Li2SO4水系電解液超級(jí)電容器[J]. 孫現(xiàn)眾,張熊,張大成,馬衍偉.  物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2012(02)



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