【摘要】：超級電容器,作為一種新型的電化學(xué)儲能裝置,具有高的功率密度,超長的循環(huán)壽命,良好的充放電倍率性能和綠色環(huán)保等優(yōu)點。因此,超級電容器擁有十分廣泛的應(yīng)用前景。而作為超級電容器的關(guān)鍵部件之一,電極材料的好壞對其整體性能有著決定性的影響。一般來說,構(gòu)筑合理的微納米結(jié)構(gòu),有利于提高電極材料的電化學(xué)性能。不同于塊體材料,微納米材料具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì),比如高的比表面積和豐富的納米孔結(jié)構(gòu)等,已經(jīng)成為能源材料領(lǐng)域研究的重點。本文主要通過簡易、普適的化學(xué)合成方法來實現(xiàn)各種微納米材料的合理生長與組裝,并測試了其作為電極材料的超級電容性能。主要的研究內(nèi)容如下:分別采用噴霧層層自組裝和電沉積的方法構(gòu)建三維二氧化錳/還原氧化石墨烯納米電極復(fù)合材料。對于噴霧層層自組裝三維二氧化錳/石墨烯復(fù)合材料,在高溫恒溫箱中,將氧化石墨烯溶液,高錳酸鉀溶液和氯化錳溶液依次輪流噴涂在還原氧化石墨烯包覆的泡沫鎳骨架上數(shù)次,然后再經(jīng)過高溫煅燒,即得到泡沫鎳負(fù)載的三維多層二氧化錳/還原氧化石墨烯復(fù)合電極材料。二氧化錳納米顆粒均勻地鑲嵌在還原氧化石墨烯片層中,同時還原氧化石墨烯片層形成三維多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),有利于電解液的滲透和電子的傳輸。這種復(fù)合電極材料在0.25 A g~(-1)的放電倍率下,其放電比容量達(dá)到267 F g~(-1)。對于電沉積法構(gòu)建三維二氧化錳/還原氧化石墨烯復(fù)合電極材料,首先將氧化石墨烯一步電沉積還原在泡沫鎳骨架上,經(jīng)過冷凍干燥后形成相互交織的三維還原氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò),然后通過水熱反應(yīng),將二氧化錳納米片原位生長在三維還原氧化石墨烯網(wǎng)絡(luò)上,構(gòu)建二氧化錳/還原氧化石墨烯復(fù)合納米電極材料。這種電極材料具有開放的、三維的多孔結(jié)構(gòu),有利于構(gòu)建離子和電子快速傳輸?shù)碾p通道,其在0.5 A g~(-1)的放電倍率下,放電比容量高達(dá)462F g~(-1)。此外,在10 A g~(-1)的倍率下,進(jìn)行快速充放電5000圈,其比容量保持率為93.1%,展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。采用一步碳化活化法,將具有中空管狀結(jié)構(gòu)的柳絮纖維前驅(qū)體成功轉(zhuǎn)變成相互交聯(lián)的、具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維碳納米片材料。這種獨特的相互交聯(lián)的碳納米片網(wǎng)絡(luò),有利于電解液的快速滲透和電子的傳輸。由于柳絮纖維獨特的中空、多層的結(jié)構(gòu),通過控制活化劑的用量,可以調(diào)節(jié)所得到碳材料的納米孔結(jié)構(gòu)。之后,將優(yōu)化后的類石墨烯碳納米片進(jìn)行氮、硫雜原子的共摻雜,通過引入贗電容,進(jìn)一步提高其超級電容性能。這種氮、硫共摻雜的二維碳納米片在0.5 A g~(-1)放電速率下,放電比容量達(dá)到298 F g~(-1),即使在50 A g~(-1)的超高放電速率下,其放電比容量仍然達(dá)到233 F g~(-1),展現(xiàn)了良好的倍率性能。同時,這種碳材料展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,即使在5 A g~(-1)的倍率下循環(huán)10000圈,其容量保持率高達(dá)98%�；谶@種氮、硫共摻雜的二維納米片碳材料的對稱超級電容器在180 W kg~(-1)放電功率密度下,其放電能量密度高達(dá)21.0 Wh kg~(-1),遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)化雙電層電容器。采用多模板法,制備具有三明治結(jié)構(gòu)的分級多孔碳材料。將聚乙烯醇(PVA)、氯化鋅、氧化石墨烯和納米鎳粉按一定的比例均勻混合后,經(jīng)過簡單的高溫煅燒和酸洗后,即可得到目標(biāo)碳材料。其中聚乙烯醇為碳的前驅(qū)體,氯化鋅為高溫熔融鹽模板,通過高溫蒸發(fā)引入微孔。氧化石墨烯為軟模板,作為多孔碳的導(dǎo)電基底。納米鎳粉作為硬模板,通過酸刻蝕,從而引入大孔結(jié)構(gòu)。這種具有三明治結(jié)構(gòu)的多孔碳材料擁有開放的孔結(jié)構(gòu)和合理的孔徑分布,其比表面達(dá)到1235 m~2 g~(-1),孔容為1.3 cm~3 g~(-1)。這種碳材料在0.2 A g~(-1)放電速率下,放電比容量達(dá)到274.8 F g~(-1),即使在20 A g~(-1)的高放電速率下,其放電比容量仍然達(dá)到206.5 F g~(-1),展現(xiàn)了優(yōu)異的倍率性能�；谶@種三明治結(jié)構(gòu)的分級多孔碳材料的對稱超級電容器在179.9 W kg~(-1)放電功率密度下,其放電能量密度高達(dá)18.47 Wh kg~(-1)。進(jìn)一步通過水熱法,將二氧化錳納米片原位生長在這種分級多孔碳材料上,同時將其作為正極,具有三明治結(jié)構(gòu)的分級多孔碳材料作為負(fù)極,組裝成不對稱超級電容器。這種不對稱超級電容器在199.9 W kg~(-1)放電功率密度下,其放電能量密度高達(dá)25.93 Wh kg~(-1)。此外,在2 A g~(-1)的放電倍率下循環(huán)10000次,其容量保持率高達(dá)112.2%,體現(xiàn)了優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性。采用簡單的浸漬干燥和化學(xué)還原的方法,將還原氧化石墨烯包覆在無紡布棉微纖維上,形成柔性導(dǎo)電基底。然后,再用一步恒電壓電沉積的方法將硫化鎳原位沉積在還原氧化石墨烯包裹的棉微纖維上,構(gòu)筑柔性可穿戴電極材料。三維交織的還原氧化石墨烯包覆的棉微纖維構(gòu)建快速的電子傳導(dǎo)框架,相互連接的棉微纖維形成的開放性大孔有助于電解液的滲透和離子的傳輸。這種基于柔性無紡布的硫化鎳/還原氧化石墨烯納米復(fù)合電極材料在0.5 A g~(-1)的放電倍率下,放電比容量高達(dá)775 F g~(-1)。在2 A g~(-1)的倍率下循環(huán)1000圈,其比容量保持率為88.1%。這種易制備、低成本、高性能的柔性電極材料為柔性可穿戴設(shè)備提供了一種可行的解決方案。
【圖文】：

圖 1.1 各種儲能設(shè)備的能量-功率對比圖[11]。Figure 1.1 Energy-power comparison of various energy storage devices[11]超級電容器電容器，顧名思義，其儲能的機(jī)理為電荷在電極材料和電解處沒有發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移，如圖 1.1 所示。通常雙電層超級電材料[12-14]。理想的碳材料本身并沒有電化學(xué)活性，僅僅依解液接觸面積上積聚和消散來進(jìn)行電化學(xué)儲能。在雙電層超，在電解液里，陽離子從正極遷移到負(fù)極，陰離子從負(fù)極遷電子從負(fù)極轉(zhuǎn)移到正極，在電極材料界面處不斷積累。對于子的運動剛好和充電過程相反。無論是在充電還是放電的過面處沒有凈電荷的產(chǎn)生，這就說明電解液中的離子不會發(fā)生保持不變。因此，通過這種方式，能量能夠長期穩(wěn)定地存儲層界面處。雙電層超級電容器的電化學(xué)儲能過程可以用以下

第 1 章 緒論電過程：S1 S1E / / A e E A 電過程：S2 S2E C e E / / C 電過程：S2 S2 E / / C E C e 正負(fù)兩個電極的界面分別標(biāo)記為 ES1和 ES2，陽離子記為 C+，陰極材料和電解液的界面描述為//。商業(yè)化的電化學(xué)超級電容器主要是基于多孔碳材料的雙電層超級層超級電容器具有較高的功率密度，但是能量密度較低，，還有待進(jìn)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB332;TM53

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 霍文蘭;馬向榮;;二元鎳鋁水滑石制備、表征及其電容性能研究[J];榆林學(xué)院學(xué)報;2017年06期

2 楊應(yīng)昌;王麗容;滕明洋;;鈷氧化物的電化學(xué)制備及超級電容性能研究[J];廣東化工;2017年10期

3 張翔;劉健;畢紅;;氮摻雜多孔碳的制備及其電容性能[J];安徽化工;2016年06期

4 周曉平;馮宗財;馬琳;許麗梅;徐旭耀;;片狀三氧化鉬的合成及超電容性能研究[J];電源技術(shù);2015年08期

5 潘陳玉潔;郭秋萍;王黎陽;楊彩鳳;趙建偉;秦麗溶;;氫氧化鎳納米片的制備及其超級電容性能[J];西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年01期

6 張濤;鄭明波;李念武;呂洪嶺;曹潔明;;梧桐皮基高比表面積碳材料的制備及其超電容性能[J];化工新型材料;2013年10期

7 石超;楊培培;張明亮;孔德蕊;孟晴;張葉臻;;石墨紙/二氧化錳復(fù)合材料的制備及其電容性能研究[J];遼寧化工;2017年09期

8 尚嘉茵;王奇觀;王素敏;;石墨烯/聚吡咯復(fù)合物的制備及超級電容性能研究[J];精細(xì)化工中間體;2016年04期

9 ;海外傳真[J];發(fā)明與創(chuàng)新(大科技);2016年11期

10 李常雄;戴亞堂;張歡;馬歡;賈玉蓉;周龍平;張杰;;循環(huán)伏安法共聚苯胺/吡咯及其超級電容性能[J];化工學(xué)報;2012年10期

相關(guān)會議論文 前10條

1 孫紅梅;孫振杰;陳紅雨;舒東;;水鈉錳礦的制備及超級電容性能研究[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2010年

2 孫紅梅;彭亮波;文萃;陳紅雨;舒東;;水鈉錳礦的制備及超級電容性能研究[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

3 劉曉霞;孫麗杰;竇玉倩;吳建;;基于無機(jī)-有機(jī)雜化的聚苯胺一維生長調(diào)控及超電容性能研究[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2010年

4 李慶偉;李園園;張經(jīng)緯;霍開富;;多級孔泡沫碳材料的制備和電容性能[A];第一屆全國儲能科學(xué)與技術(shù)大會摘要集[C];2014年

5 周亞夫;高翼;周鍵;李曦;;基于酚醛泡沫的多孔碳材料制備及其電容性能研究[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第二十九分會：電化學(xué)材料[C];2016年

6 畢紅;張翔;;氮摻雜多孔碳的制備及其電容性能研究[A];中部四省化學(xué)化工學(xué)會2016年學(xué)術(shù)年會摘要集[C];2016年

7 楊曉青;閆方玉;吳丁財;符若文;;有序炭的氨氣改性及其超電容性能研究[A];第22屆炭—石墨材料學(xué)術(shù)會論文集[C];2010年

8 張雅琨;陳亮;李建玲;王新東;葉鋒;楊軍;;不同電解液對聚苯胺電容性能的影響[A];中國化學(xué)會第28屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2012年

9 程杰;曹高萍;楊裕生;;錳氧化物干凝膠電容性能研究[A];第十二屆中國固態(tài)離子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

10 唐永福;陳騰;陳順姬;;過渡金屬硫化物電極材料的形貌可控合成及其電容性能研究[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十分會：化學(xué)電源[C];2016年

相關(guān)重要報紙文章 前2條

1 倪永華;讓“剎車”貢獻(xiàn)出電能[N];科技日報;2004年

2 記者 劉肖勇 通訊員 姜天海;深圳先進(jìn)院成功制備三維黑磷超級電容[N];廣東科技報;2018年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李一舉;碳和碳基復(fù)合材料的制備及其超級電容性能的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

2 閆朋濤;具有分等級孔結(jié)構(gòu)碳基電極材料的制備及超級電容性能研究[D];燕山大學(xué);2016年

3 徐曉陽;過渡金屬氧化物基電極材料的制備及其電容性能研究[D];天津大學(xué);2017年

4 武婷婷;碳材料的表面改性及其電容去離子性能研究[D];大連理工大學(xué);2017年

5 張寧霜;石墨烯基納米材料的制備及其超電容性能研究[D];湖南大學(xué);2017年

6 徐江;碳化物衍生碳的形成機(jī)理及其超級電容性能研究[D];燕山大學(xué);2015年

7 薛云;尖晶石型錳系氧化物的合成及超級電容性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

8 時志強(qiáng);炭基電化學(xué)電容器電極材料的制備與電容性能研究[D];天津大學(xué);2007年

9 常玖利;碳質(zhì)摻雜、復(fù)合材料的設(shè)計合成及其電容性能研究[D];河南師范大學(xué);2017年

10 朱君秋;含鋯（鉿）活性氧化物的電容性能及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究[D];福州大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王亞州;導(dǎo)電聚合物柳絮熱解碳復(fù)合材料的制備及其超級電容性能的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

2 包路路;二氧化錳及其復(fù)合材料的制備與超電容性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

3 梁媛;熔鹽合成MnCo_2O_4及其復(fù)合電極材料超級電容性能的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

4 侯丁;基于聚多巴胺的復(fù)合材料制備及電容性能研究[D];安徽師范大學(xué);2018年

5 陳晨;金屬硫化物、氮摻雜碳材料的設(shè)計合成及其電容性能研究[D];河南師范大學(xué);2018年

6 姚亞;碳材料/氧化鐵復(fù)合材料的制備及其超級電容性能研究[D];杭州電子科技大學(xué);2018年

7 張玲翠;過渡金屬化合物及碳質(zhì)電容材料的制備及性能研究[D];河南師范大學(xué);2018年

8 劉甜甜;鈷、鎳基金屬配合物衍生納米復(fù)合材料的合成及其贗電容行為研究[D];閩南師范大學(xué);2018年

9 趙亞奇;NiCo_2O_4、CuCo_2O_4和CuFe_2O_4電極材料的制備及其超電容性能研究[D];西北大學(xué);2018年

10 辛福恩;基于木材轉(zhuǎn)化的碳電極及其電容性能提升[D];陜西師范大學(xué);2018年

本文編號：2644008