雙電層超級(jí)電容器中,界面總電容（C_T）可以表示為1/C_T=1/C_Q+1/C_D,C_D為雙電層電容,C_Q為量子電容;雖然界面總電容同時(shí)受C_Q和C_D兩個(gè)物理量的制約,但長(zhǎng)久以來研究者忽略了C_Q的貢獻(xiàn),導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋,對(duì)進(jìn)一步提高界面總電容和能量密度缺乏微觀機(jī)制的理解。我們針對(duì)雙電層超級(jí)電容器儲(chǔ)能低的問題,對(duì)一些典型二維材料石墨烯基等雙電層電極材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),深入理解了量子電容調(diào)控的物理機(jī)制,得到了增強(qiáng)量子電容的方法,為開發(fā)高性能雙電層超電容二維電極材料提供了新思路。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,通過引入摻雜/共摻雜、缺陷、金屬原子及團(tuán)簇的吸附等對(duì)二維電極材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維材料電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)制,提高了量子電容。我們從原子角度深入理解了二維材料的這些新穎特性,揭示了量子電容產(chǎn)生改變的物理根源,對(duì)材料儲(chǔ)能性質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè),并與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了比較。所取得的主要... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)示意圖[1]

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文2超級(jí)電電容器性能優(yōu)異，功率密度高、維護(hù)成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)，這使得其在便攜式儲(chǔ)能設(shè)備、電氣化交通設(shè)備等方面應(yīng)用前景巨大。超級(jí)電容器和電池相比，其缺點(diǎn)是能量密度低。圖1.2中Ragone圖顯示了不同電化學(xué)儲(chǔ)能器件能量密度與功率密度的對(duì)比。如圖可知，超級(jí)電容器的功率密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池，最高可達(dá)1.5×103W/kg，但其能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池。所以，超級(jí)電容器和鋰離子電池各有優(yōu)勢(shì)，它們因優(yōu)勢(shì)不同而得到不同的實(shí)際應(yīng)用。提高超級(jí)電容器能量密度，同時(shí)保持自身優(yōu)良的功率密度特性，使超級(jí)電容器在更多的領(lǐng)域應(yīng)用是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題。圖1.2各種不同電化學(xué)儲(chǔ)能器件功率密度與能量密度的對(duì)數(shù)關(guān)系Ragone曲線[2]Figure1.2Ragoneplotshowingthespecificpoweragainstspecificenergyforvariouselectricalenergystoragesystems1.2超級(jí)電容器工作原理及分類根據(jù)不同的反應(yīng)機(jī)理，超級(jí)電容器可分為贗電容電容器、雙電層電容器及混合型電容器三類。雙電層電容是由電極活性物質(zhì)和電解液界面形成的Helmholtz雙電層存儲(chǔ)電荷。離子或者電子在電解液和電極的界面上定向排列形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極間施加電場(chǎng)后，電解液中的陰陽(yáng)離子在電場(chǎng)力作用下向正負(fù)極遷移，最終在電極表面形成雙電層。當(dāng)電極與外電路連通時(shí)，電極電荷定向運(yùn)動(dòng)而在外電路中產(chǎn)生電流。由此可見，雙電層電容器充放電過程中，離子只是在電解

第1章緒論3液與電極界面區(qū)域快速遷移，利用電極材料的高比表面積進(jìn)行離子的物理吸附脫附，并沒有涉及到化學(xué)反應(yīng)，因此其功率密度高、充放電速度快，且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。而贗電容超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制是利用物質(zhì)表面或亞表面的氧化還原反應(yīng)存儲(chǔ)電荷，這與電極活性物質(zhì)的比表面積相關(guān)。故贗電容單位面積電極的電荷存儲(chǔ)能力比雙電層大10-100倍[3,4]。以上兩種電容器的儲(chǔ)能示意圖，見圖1.3。混合型電容器是指以贗電容和雙電層電容材料分別作正負(fù)電極的超級(jí)電容器。圖1.3雙電層超級(jí)電容器和贗電容超級(jí)電容器儲(chǔ)能示意圖[5]Figure1.3Schematicofchargestorageinsupercapacitors圖1.4傳統(tǒng)平板電容器的示意圖Figure1.4Theschematicillustrationofaparallelplatecapacitor以傳統(tǒng)的平行板電容器作為其最基本的物理模型衍生出了以上兩種超級(jí)電容器。圖1.4是平行板電容器的示意圖，兩片電極板平行放置，面積A相等，間距為d，并連接外電路。平行板電容器電極板上聚集異性電荷而產(chǎn)生電容。其計(jì)算公式：C=εrεoA/d，其中εo和εr是真空介電常數(shù)和兩極板材料的相對(duì)介電常數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]新穎半導(dǎo)體二硫化鉬[J]. 袁明文.  半導(dǎo)體技術(shù). 2013(03)
[2]石墨烯的量子電容[J]. 邱晨光,徐慧龍,張志勇,彭練矛.  物理. 2012(12)



本文編號(hào)：3622779