【摘要】：近年來,超級電容器因其能量密度高、循環(huán)壽命長、工作溫度寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)引起廣大科研工作者的關(guān)注,掀起了研究超級電容器電極材料的熱潮。目前超級電容器電極材料應(yīng)用廣泛的主要有碳材料和金屬氧化物/硫化物,其電化學(xué)性能主要受孔道結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性、表面狀態(tài)等因素決定。隨著能源的不斷枯竭,環(huán)境的不斷惡化,人們對于能源的可持續(xù)性提出了更高的要求,作為新一代儲能器件,超級電容器也需要以更優(yōu)異的電化學(xué)性能來滿足新時代需求。本論文旨在針對目前電極材料的不足,從表面狀態(tài)、導(dǎo)電性、微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究制備新型復(fù)合電極材料,探究這些因素對電化學(xué)儲能的作用機(jī)理,主要研究內(nèi)容如下:1:以竹塊作為炭源,利用炭化-活化兩步工藝制備生物質(zhì)活性炭(ABC),分別研究不同活化溫度對生物質(zhì)炭孔道結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、表面狀態(tài)及電化學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著活化溫度的提升,生物質(zhì)炭孔道結(jié)構(gòu)及比表面積均具有很大變化,其中采用900℃活化溫度的ABC-900樣品(比表面積:2221.1m2/g)表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能。三電極測試顯示在0.5A/g下比電容達(dá)到293F/g,并且具有良好的循環(huán)壽命。組裝成對稱型超級電容器,通過兩電極系統(tǒng)測試,表現(xiàn)出最高的能量密度(63W/kg,10.9Wh/kg)和最優(yōu)的倍率特性(2500W/kg,7.8Wh/kg)。2:利用水熱法將實驗室制備的生物質(zhì)活性炭與NiCo2S4進(jìn)行復(fù)合得到ABC/NiCo2S4復(fù)合電極材料,研究生物質(zhì)活性炭含量對電極材料晶型、結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能的影響,探討出生物質(zhì)活性炭對復(fù)合電極材料的作用機(jī)理。結(jié)果顯示隨著生物質(zhì)活性炭的加入,原本團(tuán)聚的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散成納米線結(jié)構(gòu)。經(jīng)過三電極系統(tǒng)測試,ABC/NiCo2S4-4樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能,在0.5A/g的電流密度下比電容為1948F/g,且表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率特性和循環(huán)壽命。3:分別研究制備了 CMK-3/Co3O4和CMK-3/NiCo2S4兩種復(fù)合電極材料,研究添加不同的CMK-3(有序介孔碳)含量對整體電極材料的電導(dǎo)率、孔道結(jié)構(gòu)和微觀形貌等的影響,探索其CMK-3的作用機(jī)理。測試結(jié)果顯示,當(dāng)添加一定量的CMK-3,CMK-3/Co3O4樣品呈現(xiàn)出納米線和納米片共存的狀態(tài),有效提升了電極材料與電解液的接觸面積。通過三電極系統(tǒng)測試,C/Co3O4-6樣品表現(xiàn)出最高的比電容量,在0.5A/g的電流密度下,可達(dá)到1131.2F/g,經(jīng)過1000次的循環(huán)壽命測試,比電容保持率仍能高達(dá)82.6%。CMK-3以導(dǎo)電劑和阻聚劑的身份進(jìn)入復(fù)合材料中,導(dǎo)電性能得到較大提升,NiCo2S4納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變成納米線結(jié)構(gòu),其中CMK-3添加量為0.008g時,C/NiCo2S4-8樣品表現(xiàn)出最大的比電容量(在0.5A/g下比電容高達(dá)3293F/g)和出色的循環(huán)壽命(2000次循環(huán)后比電容保持率為94.2%),組裝成非對稱型超級電容器C/NiCo2S4-8//AC,在357W/kg的功率密度下,其能量密度高達(dá)34.9Wh/kg。4:研究利用新型的電沉積工藝成功在納米線結(jié)構(gòu)的Co3O4上沉積Ni(OH)2,得到核殼結(jié)構(gòu)的納米線Co3O4/Ni(OH)2復(fù)合電極材料。結(jié)果測試表明,沉積的Ni(OH)2含量偏低且結(jié)晶性較差,不同的沉積循環(huán)次數(shù)對于電極材料微觀形貌、電化學(xué)性能有較大差異,在循環(huán)次數(shù)為2時電極材料Co3O4/Ni(OH)2-2體現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能。通過三電極系統(tǒng)測試,在0.5A/g下比電容高達(dá)2055.1F/g,且具有良好的倍率特性。組裝成非對稱型超級電容器,能量密度高達(dá)48.6Wh/kg,經(jīng)過8000循環(huán)壽命測試,仍然具有72.7%的保持率。5:研究采用多步水熱法在Co3O4的納米片上嫁接納米線結(jié)構(gòu)的NiCo2S4制備Co3O4/NiCo2S4復(fù)合電極材料,探討形貌結(jié)構(gòu)對復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)有效的提升了電極材料的利用率,豐富了法拉第反應(yīng),獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)有利于電解液離子的快速擴(kuò)散,克服動力學(xué)限制,進(jìn)而大幅提升電化學(xué)性能。在3M KOH電解液中,比電容在0.5A/g的電流密度下高達(dá)1774F/g,且具有良好的倍率特性,1000次循環(huán)壽命測試后,比電容保持率仍能高達(dá)88.7%,體現(xiàn)出復(fù)合電極材料優(yōu)秀的電化學(xué)性能。
【圖文】：

率輸出的產(chǎn)品［５＿７］。與電池相比，超級電容器是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間逡逑的能量存儲裝置，其擁有理想的能量密度，更高的功率密度，更長的使用壽命逡逑和更寬的工作溫度范圍，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。圖１．１給出了超級電容器逡逑和各類電池的能量功率對比圖＋１１］。逡逑１０００邐￣0邋ｊ邋；邋廠■？邋１邐：■邋，邐＝逡逑二邐Ｐ邋＇逡逑＿＿＿＿＿逡逑１１０邐Ｖｉ．逡逑ｌ邋ｉ：，邋ＬｒｊＩ邐４－逡逑１逡逑０．３６邋５逡逑巨，２十邋ｉ，：一二－—邋ｉ邋－ｕｊ－ｉｉ—七＇，ｉ：丨ｉ］逡逑°ｉ0邋—邐１００邐１０００邐１００００逡逑Ｐｏｗｅｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋（Ｗ／ｋｇ）逡逑圖１．１超級電容器和各類電池的能量功率對比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ邋ａｎｄ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑１逡逑

級電容器作為能源動力在軌道交通、城市客車上取得了巨大的成就，在保加逡逑亞、塞爾維亞、以色列都能見到上海奧威生產(chǎn)的超級電容公交車，標(biāo)志著中逡逑超級電容器的發(fā)展達(dá)到國際領(lǐng)先水平。逡逑２．邋２超級電容器的結(jié)構(gòu)和種類逡逑超級電容器的結(jié)構(gòu)如下圖１．２所示，主要由電極材料、電解液、隔膜和集逡逑體這四個部分組成［１５＿１８］。其中，電極材料主要由活性材料，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑逡逑三部分組成�；钚圆牧现饕ㄌ疾牧�、金屬氧化物／硫化物和導(dǎo)電聚合物這逡逑類，是超級電容器的重要部分，具有存儲電荷和能量的作用。電解液主要包逡逑水系電解液和有機(jī)電解液，為電容器在電荷傳輸過程中提供離子。隔膜足為逡逑防止正負(fù)極接觸從而導(dǎo)致短路，目前常川的足聚丙烯膜。集流體是電極材料逡逑負(fù)載體，與外部電路相連，起到降低電極材料內(nèi)阻的作用，常用的有泡沫鎳，逡逑電玻璃，，鋁箔等［１９］。逡逑
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TM53

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本文編號：2607006