發(fā)布時(shí)間：2020-04-08 01:05

【摘要】：能源危機(jī)和環(huán)境污染促使了人們達(dá)成可持續(xù)發(fā)展的共識(shí)。超級(jí)電容器,作為一種介于常規(guī)電容器和二次電池之間的清潔高效儲(chǔ)能裝置,融合了高比電容、快充放電速率、長(zhǎng)循環(huán)壽命和大功率密度等一系列優(yōu)點(diǎn)于一身而備受關(guān)注。截止目前為止,相比于傳統(tǒng)的化學(xué)電源,低能量密度是限制超級(jí)電容器發(fā)展的主要瓶頸。根據(jù)能量密度計(jì)算公式E(28)_2~1C((35)V)~2,電極材料比電容(C)和工作電壓窗口(ΔV)是決定超級(jí)電容器能量密度的主要指標(biāo)。因此,比電容大、工作電壓窗口寬以及價(jià)格低廉和環(huán)境友好的高性能電極材料的開(kāi)發(fā)是解決超級(jí)電容器發(fā)展的根本。近年來(lái),贗電容過(guò)渡金屬氧化物電極材料因具有比電容大和能量密度高的特性而凸顯出優(yōu)于傳統(tǒng)雙電層碳材料的價(jià)值優(yōu)勢(shì)逐漸成為超級(jí)電容器電極材料的理想入選者。此外,二維納米結(jié)構(gòu)材料由于具有較大的比表面積、較多的離子傳輸通道、較高的電化學(xué)活性位點(diǎn)以及較短的離子傳輸距離,亦在高能量密度和高功率密度的超級(jí)電容器應(yīng)用上備受研究者關(guān)注。本論文以高性能二維多孔鈷酸鹽薄片的控制合成與超電容性能研究為目標(biāo),設(shè)計(jì)合成了二維多孔Co_3O_4薄片、二維多孔ZnCo_2O_4薄片和單晶Cr_2O_3 C復(fù)合納米片。通過(guò)同步熱分析儀(TGA DTA)、X 射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀(Raman)、X 射線光電子能譜分析儀(XPS)、能量色散X 射線光譜儀(EDX)、比表面積測(cè)試儀(BET)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE SEM)、場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)和選區(qū)電子衍射(SAED)等技術(shù)手段分析了材料的晶型結(jié)構(gòu)、元素組成以及微觀形貌和尺寸等特性,并由循環(huán)伏安測(cè)試(CV)、恒電流充放電測(cè)試(GCD)、循環(huán)性能測(cè)試以及交流阻抗測(cè)試(EIS)等電化學(xué)表征考察了材料的超電容性能。本論文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下三個(gè)方面:1.二維多孔Co_3O_4薄片的制備與超電容性能。(1)在實(shí)驗(yàn)方面:通過(guò)無(wú)模板、無(wú)表面活性劑、一步簡(jiǎn)單水熱分解硝酸鈷(Co(NO_3)_2)和苯甲酸(C_6H_5COOH,BA)混合溶液實(shí)現(xiàn)了層級(jí)多孔空腔蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維Co_3O_4薄片電極材料可控合成。產(chǎn)物的微觀形貌可以通過(guò)調(diào)節(jié)水熱反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。相比于200℃下水熱反應(yīng)6和24 h的產(chǎn)物,在200℃下水熱反應(yīng)12 h得到的產(chǎn)物,具有較高的比表面積(142.15 m~2·g~( 1))和更規(guī)整的微觀結(jié)構(gòu)。(2)在電化學(xué)性能測(cè)試方面:(1)三電極系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn),在200℃下水熱反應(yīng)12 h得到的產(chǎn)物,具有面積比電容大(1.71 F·cm~( 2))、倍率性能高(66.1%)、循環(huán)性能好(93.7%)與電阻值小(0.3709Ω)的優(yōu)點(diǎn);(2)二電極系統(tǒng)研究表明,由200℃下水熱反應(yīng)12 h得到的Co_3O_4薄片作正極和AC作負(fù)極組裝的非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器裝置,最大面積比電容值可達(dá)148.84 mF·cm~( 2);當(dāng)功率密度為800 W·Kg~( 1)時(shí)能量密度高達(dá)22.49 Wh·Kg~( 1);以及較高的循環(huán)穩(wěn)定性(10000次充放電循環(huán)測(cè)試中僅有8.2%比電容損失)。2.二維多孔ZnCo_2O_4薄片的制備與超電容性能。(1)在實(shí)驗(yàn)方面:通過(guò)簡(jiǎn)單水熱分解過(guò)渡金屬硝酸鹽(Zn(NO_3)_2和Co(NO_3)_2)和苯甲酸(C_6H_5COOH,BA)混合溶液實(shí)現(xiàn)了三維超薄納米片陣列組裝的二維多孔ZnCo_2O_4薄片電極材料可控合成。產(chǎn)物的微觀形貌可以通過(guò)調(diào)節(jié)水熱反應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)控。相比于180和220℃下水熱反應(yīng)10 h的產(chǎn)物,在200℃下水熱反應(yīng)10 h得到的產(chǎn)物具有較高的比表面積(151.65 m~2·g~( 1))和較好的微觀結(jié)構(gòu)。(2)在電化學(xué)性能測(cè)試方面:(1)三電極系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn),在200℃下水熱反應(yīng)10 h得到的產(chǎn)物,具有面積比電容大(3.07F·cm~( 2))、倍率性能高(61.237%)、循環(huán)性能好(96.3%)與電阻小值(0.4342Ω)的優(yōu)點(diǎn);(2)二電極系統(tǒng)研究表明,由200℃下水熱反應(yīng)10 h得到的ZnCo_2O_4薄片作正極和AC作負(fù)極組裝的非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器裝置,最大面積比電容值可達(dá)183.54mF·cm~( 2);當(dāng)功率密度為850 W·Kg~( 1)時(shí)能量密度高達(dá)36.31 Wh·Kg~( 1);以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(10000次充放電循環(huán)測(cè)試中僅有7.5%比電容損失)。3.單晶Cr_2O_3 C復(fù)合納米片的制備與超電容性能。(1)在實(shí)驗(yàn)方面:通過(guò)在氬氣中熱分解[Cr_3O(CH_3CO_2)_6(H_2O)_3]NO_3·CH_3COOH三核配合物實(shí)現(xiàn)了單晶Cr_2O_3 C復(fù)合納米片可控合成。產(chǎn)物的晶型結(jié)構(gòu)和微觀形貌可以通過(guò)調(diào)節(jié)熱分解溫度進(jìn)行調(diào)控。相比于高溫?zé)岱纸猱a(chǎn)物,在400℃下熱分解6 h得到的低溫產(chǎn)物具有更高的復(fù)合含碳比(12.52%)。(2)在電化學(xué)性能測(cè)試方面:(1)三電極系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn),在400、500、600和700℃下熱分解6 h得到的產(chǎn)物在1 A·g~( 1)電流密度下分別表現(xiàn)出823.11、781.65、720.72與696.73 F·g~( 1)的高質(zhì)量比電容,且400℃下熱分解6 h得到的產(chǎn)物具有更出色的循環(huán)穩(wěn)定性(99.7%);(2)二電極系統(tǒng)研究表明,由400℃下熱分解6 h得到的Cr_2O_3 C復(fù)合納米片作正極和活性炭(AC)作負(fù)極組裝的非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器裝置,工作電壓窗口拓寬到1.8 V,在1和10 A·g~( 1)電流密度下質(zhì)量比電容值分別為58.06和15.56 F·g~( 1)。另外,當(dāng)功率密度為900W·kg~( 1)時(shí)能量密度高達(dá)26.125·Wh·kg~( 1)以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性(10000次充放電循環(huán)測(cè)試中僅有8.6%比電容損失)。
【圖文】：

綠色、可持續(xù)和可再生能源作為解決能源短缺關(guān)注[1 2]。就研究眾多的太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能、發(fā)展前景的清潔、高效新能源來(lái)講，若要實(shí)現(xiàn)其問(wèn)題仍是現(xiàn)實(shí)面臨的重大挑戰(zhàn)之一[3]。與此同時(shí)，容器和二次電池儲(chǔ)能元件由于不能滿足新一代電等新興領(lǐng)域應(yīng)用，近年來(lái)已逐漸被超級(jí)電容器這。（Supercapacitor），亦稱(chēng)雙電層電容器、電化學(xué)電容大、充放電速率快、循環(huán)性能出眾與使用壽命容器和化學(xué)電源的儲(chǔ)能機(jī)理，超級(jí)電容器是通過(guò)或電極內(nèi)部形成可逆的雙電層或氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)的功率密度和傳統(tǒng)靜電容器的能量密度[6 8]。此外圍寬和對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而成為一種既高儲(chǔ)裝置[9]。

可分為三類(lèi)：雙電層電容器、法拉第贗電容電容器和非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器（混合型超級(jí)電容器）。1.2.1 雙電層電容器雙電層電容器（Electrochemical double layercapacitor，EDLC）是通過(guò)電極材料對(duì)電解質(zhì)電荷的純物理靜電吸附作用存儲(chǔ)電能，其電化學(xué)性能與電極材料的電導(dǎo)率、比表面積和孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[11]。雙電層理論認(rèn)為：當(dāng)電極插入電解液中時(shí)，電極表面的靜電荷將吸引溶液中一些不規(guī)則分配的異種電荷離子，使其在電極與溶液界面的溶液一側(cè)離電極一定間距排列，形成等數(shù)量異種電荷界面層，尤其是在充電強(qiáng)制形成離子雙層時(shí)，會(huì)有更多異種電荷離子積累于正負(fù)極界面雙層產(chǎn)生較高的電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)；放電時(shí)，隨兩極板間電位差降低，正負(fù)電荷離子返回到電解液中，，電子流入外電路的負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)能量的釋放，如圖 1.2a所示[12 13]。由于電極不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相變化機(jī)制，所以雙電層電荷存儲(chǔ)過(guò)程主要受離子擴(kuò)散速率控制，且與電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程無(wú)關(guān)，其儲(chǔ)能機(jī)理可以用圖 1.2b最簡(jiǎn)單的平板電容器模型（Helmholtz 模型）來(lái)表示。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.4;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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1 謝金龍;李艷霞;初振明;王旭升;姚熹;;超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年15期

2 林立華;鄭翠紅;閆勇;俞海云;朱偉長(zhǎng);;超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展[J];應(yīng)用化工;2011年06期

3 袁磊;王朝陽(yáng);付志兵;張厚瓊;唐永建;;超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2010年17期

4 程立文;汪繼強(qiáng);譚玲生;;超級(jí)電容器的技術(shù)與應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展簡(jiǎn)評(píng)[J];電源技術(shù);2007年11期

本文編號(hào)：2618654