隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,人類目前面臨嚴重的能源短缺和環(huán)境污染。為此,各國積極開展新型能源器件的研發(fā)。其中,以超級電容和化學電池為代表的電化學儲能器件因其具有超高的能量密度和功率密度、以及超高的循環(huán)壽命及轉換效率,被認為是最具可行性的清潔能源器件,在國防、醫(yī)療以及新興產(chǎn)業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。作為儲能器件的核心部件,電極材料的性能和其結構的改進則是制約新型儲能器件應用的關鍵。目前,商業(yè)化的儲能器件一般采用含鎘、鉛的石墨基電極材料,然而這種器件不僅質量重、毒性大、循環(huán)效率差,而且電容量和能量密度偏低。因此,研發(fā)超高功率及能量密度、超長循環(huán)壽命的輕質新型儲能器件具有極高的科學研究價值和應用前景。本文旨在研制基于3D多孔石墨烯結構的新型高性能的電極材料及儲能器件,著力解決制約超級電容和化學電池等儲能器件性能的容量損失、老化、功率及能量密度受限等關鍵科學問題。通過研制新型的電極材料、結構和儲能模塊,建立3D石墨烯基集成電極的結構與功能構筑模型,揭示其儲能機理及結構性能對其儲能性能的影響機制,為新型3D石墨烯多孔石墨烯的儲能應用奠定了必要的理論和實驗基礎。本文所取得的研究成果和創(chuàng)新點如下：1.系統(tǒng)...

【文章頁數(shù)】：159 頁

【學位級別】：博士

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摘要
ABSTRACT
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縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 電化學儲能器件的分類及發(fā)展
        1.2.1 超級電容
        1.2.2 化學電池
        1.2.3 超級電容與化學電池的比較
    1.3 電化學儲能器件的電極材料及應用
        1.3.1 電化學儲能器件的電極材料
        1.3.2 電化學儲能器件的應用
    1.4 2D/3D石墨烯的合成概述及研究進展
        1.4.1 2D石墨烯的制備概述及研究進展
        1.4.2 3D石墨烯的合成概述及研究進展
    1.5 3D石墨烯基電極的儲能應用
        1.5.1 3D石墨烯的儲能應用
        1.5.2 3D石墨烯的集成電極
    1.6 3D石墨烯及其儲能電極存在的問題
    1.7 本論文的選題意義和主要研究內(nèi)容
第二章 實驗設備及測試分析方法
    2.1 實驗設備
        2.1.1 化學氣相沉積系統(tǒng)
        2.1.2 電化學工作站
    2.2 電極材料的表征
        2.2.1 原子力顯微鏡
        2.2.2 拉曼光譜
        2.2.3 金相顯微鏡系統(tǒng)
        2.2.4 非接觸霍爾測試儀
        2.2.5 X射線光電子能譜分析
        2.2.6 掃描電子顯微鏡
        2.2.7 能量色散X射線光譜
        2.2.8 X射線衍射分析
        2.2.9 比表面積測試
        2.2.10 微量天平
    2.3 電極的電化學測試方法
        2.3.1 三電極測量單元
        2.3.2 兩電極測量單元
    2.4 電極的電化學性能測試法及原理
        2.4.1 循環(huán)伏安法
        2.4.2 恒流充放電
        2.4.3 恒壓充放電
        2.4.4 交流阻抗譜
    2.6 超級電容原理簡介
        2.6.1 雙電層電容原理簡介
        2.6.2 贗電容的原理簡介
        2.6.3 過渡族金屬氧化物/金屬鹽電極的簡介
第三章 2D石墨烯CVD法可控制備及表征
    3.1 Cu襯底上2D石墨烯CVD法成核機理研究
        3.1.1 Cu箔表面電化學拋光
        3.1.2 2D石墨烯成核密度控制機理
    3.2 超大晶疇石墨烯單晶可控制備研究
        3.2.1 Cu表面預處理的影響
        3.2.2 電化學拋光參數(shù)的影響
        3.2.3 退火預處理的影響
        3.2.4 生長溫度的影響
        3.2.5 氫氣和甲烷流量的影響
        3.2.6 Ar流量的影響
        3.2.7 超大晶疇石墨烯單晶CVD生長
    3.3 本章小結
第四章 2D石墨烯襯底無損轉移及改性研究
    4.1 CVD制備2D石墨烯襯底轉移技術研究
        4.1.1 石墨烯襯底轉移技術簡述
        4.1.2 石墨烯高質量襯底無損轉移及性能表征
    4.2 2D轉移石墨烯改性研究
        4.2.1 襯底轉移對石墨烯性能的影響
        4.2.2 氫氣退火改性研究
    4.3 2D石墨烯疊層透明導電薄膜及層間相互作用研究
        4.3.1 疊層石墨烯的自支撐無損轉移技術
        4.3.2 疊層石墨烯透明導電薄膜太陽電池電極制備
        4.3.3 疊層石墨烯光學性能表征及層間相互作用研究
    4.4 本章小結
第五章 3D多孔柔性石墨烯CVD可控制備
    5.1 3D多孔柔性石墨烯CVD可控制備
    5.2 Cu電結晶的成核機理研究
    5.3 3D Cu-Ni合金多孔形成機理研究
        5.3.1 平衡電極電位的影響因素
        5.3.2 液相傳質步驟動力學研究
        5.3.3 弗萊德電位對鈍化的影響
        5.3.4 多孔形成綜合機理研究
    5.4 3D Cu-Ni合金表面多孔覆蓋率的控制
        5.4.1 合金孔徑尺寸的影響
        5.4.2 合金多孔密度的影響
        5.4.3 電流振蕩的影響
    5.5 3D多孔柔性石墨烯的成核機理研究
        5.5.1 3D單孔石墨烯的成核機理
        5.5.2 石墨烯的低溫緩慢成核
        5.5.3 石墨烯的表面均勻性的影響因素
    5.6 本章小結
第六章 3DMG集成電極的制備及儲能研究
    6.1 3DMG/Ni(OH)₂集成電極制備
    6.2 3DMG/Ni(OH)₂集成電極的材料表征分析
        6.2.1 3DMG/Ni(OH)₂材料形貌分析
        6.2.2 單晶Ni(OH)₂的成核機理
    6.3 3DMG/Ni(OH)₂集成電極的電化學性能研究
        6.3.1 3DMG恒電流充放電測試與循環(huán)伏安法
        6.3.2 3DSG/Ni(OH)₂的電化學測試
        6.3.3 集成電極的交流阻抗測試
        6.3.4 集成電極的電池性能測試
    6.4 3DMG/Ni(OH)₂集成電極高性能機理分析
    6.5 本章小結
第七章 3D多孔柔性石墨烯基超級電容
    7.1 3DMG/Mn₃O₄集成電極的制備
    7.2 3DMG/Mn₃O₄集成電極的材料表征及分析
        7.2.1 3DMG/Mn₃O₄可控制備機理研究
        7.2.2 晶粒粒度的影響機制
    7.3 3DMG/Mn₃O₄集成電極電化學性能的表征及分析
        7.3.1 恒電流充放電測試與循環(huán)伏安法
        7.3.2 交流阻抗測試
    7.4 基于3DSG/Mn₃O₄/3DMG的高性能不對稱超級電容
        7.4.1 不對稱超級電容的電容性能測試及分析
        7.4.2 不對稱超級電容原理分析
    7.5 本章小結
第八章 總結與展望
    8.1 總結
    8.2 展望
參考文獻
致謝
作者簡介



本文編號：3933092