【摘要】：在各種的新興儲(chǔ)能裝置中,超級(jí)電容器基于高功率密度,快速的充放電效率,優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,工作范圍廣和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)被研究人員廣泛關(guān)注,并在各領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛質(zhì)。當(dāng)前研究的超級(jí)電容器電極材料主要集中在碳材料、過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物,以及復(fù)合材料等方面。作為一種新型二維碳材料,石墨烯在電學(xué)和力學(xué)方面的優(yōu)異性能使其成為超級(jí)電容器最具潛力的電極材料。石墨烯具有優(yōu)異的雙電容性質(zhì)和杰出的導(dǎo)電性,但石墨烯片層嚴(yán)重的團(tuán)聚問題,限制了在實(shí)際應(yīng)用中石墨烯性能的發(fā)揮,難以滿足超級(jí)電容器的高比容量要求。本論文從這一難題出發(fā),通過噴霧干燥的方式將石墨烯制備成三維球形結(jié)構(gòu),改善石墨烯團(tuán)聚問題,提高石墨烯微球的比表面積,有利于其在超級(jí)電容器方面的應(yīng)用。過渡金屬氧化物具有優(yōu)良的贗電容性能,因此針對(duì)石墨烯能量密度低的不足,我們采用廉價(jià)的錳鎳氧化物與石墨烯微球復(fù)合制備具有高比電容、高能量密度的贗電容復(fù)合材料,充分發(fā)揮各材料的性能優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)彼此的不足。通過SEM、TEM、XRD、TGA和電化學(xué)測(cè)試等表征手段,對(duì)制備的材料結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行分析,研究結(jié)果顯示如下:(1)以導(dǎo)電炭黑為成球劑,采用噴霧干燥的方式獲得石墨烯微球材料。當(dāng)石墨烯與炭黑的質(zhì)量比為2:1時(shí),石墨烯微球具有均勻的球形結(jié)構(gòu),平均直徑為2.5μm。BET測(cè)試結(jié)果顯示該球形材料具有較為優(yōu)異的孔徑分布和比表面積(161 m2/g),孔徑集中在2.0nm左右,最大的微孔體積是0.076m3/g。電化學(xué)性能測(cè)試表明當(dāng)電流密度為1A/g時(shí),該石墨烯微球電極的單位比電容可達(dá)89 F/g,而且在高電流密度下也表現(xiàn)出杰出的雙電層可逆性能。(2)以石墨烯微球?yàn)檩d體,通過一步水熱法成功制備了四氧化三錳/石墨烯復(fù)合材料。研究結(jié)果顯示,合成的Mn304納米片在物理作用力下均勻的嵌在石墨烯微球面上,形成了有利于電解液離子傳輸?shù)娜S多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),極大提高材料的贗電容性能。通過CV、GCD和EIS比較分析得,Mn304NPs/GSs復(fù)合材料在電學(xué)性能上優(yōu)越于片狀石墨烯復(fù)合材料。當(dāng)掃描速率為10mV/s時(shí),單位比電容高達(dá)317 F/g。而且,4000次的恒流充放電循環(huán)測(cè)試下,材料也展示出突出的循環(huán)穩(wěn)定性能,電容值幾乎保持不變。(3)在鎳基復(fù)合材料的研究中,采用硫酸鎳與尿素作反應(yīng)物,在水熱條件下反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了花狀Ni(OH)2在石墨烯微球表面生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)探討了不同條件對(duì)Ni(OH)2/GSs復(fù)合材料形貌結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)物NiS04和CH4N2O摩爾比為1:4,150℃水熱反應(yīng)3h時(shí),復(fù)合材料具有均一的微觀形貌和完整的結(jié)構(gòu),表面負(fù)載的花狀氫氧化鎳更加稀薄,更有利于贗電容性能的發(fā)揮。電化學(xué)性能測(cè)試中,當(dāng)電流密度為0.5A/g時(shí),Ni(OH)2/GSs復(fù)合材料的單位質(zhì)量比電容達(dá)到1262 F/g左右,展示出良好的導(dǎo)電性能和電容性能。說明制備的復(fù)合材料兼具了各組分的性能特性,在儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具有較大的前景。
【圖文】：

逑｝＝ｉ邐Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邐ｊ＾Ｊ逡逑圖１－２超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)組成逡逑根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)制的差異，超級(jí)電容器可分為三種：雙電子層電容器、法拉第贗逡逑電容器以及混合型電容器。逡逑雙電層電容器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ，邋ＥＤＬＣ）的儲(chǔ)能機(jī)理建立在亥逡逑姆霍茲１Ｓ５３年提出的雙電層理論上，即溶劑化的離子在電極與電解液的兩相界逡逑面上形成正負(fù)電荷緊密排列的雙電層［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ儲(chǔ)能原理如圖１－３所示，充逡逑電時(shí)電解液中的陰陽離子在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向遷移，這樣在界面間的異逡逑性電荷的靜電相互作用下，形成雙電層結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)能。放電時(shí)，兩電極上的電荷逡逑沿外電路由負(fù)極流向正極并產(chǎn)生電流，同時(shí)界面上的電解液離子發(fā)生脫附，返回逡逑電解液中

雙電層電容器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ，邋ＥＤＬＣ）的儲(chǔ)能機(jī)理建立在亥逡逑姆霍茲１Ｓ５３年提出的雙電層理論上，即溶劑化的離子在電極與電解液的兩相界逡逑面上形成正負(fù)電荷緊密排列的雙電層［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ儲(chǔ)能原理如圖１－３所示，，充逡逑電時(shí)電解液中的陰陽離子在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向遷移，這樣在界面間的異逡逑性電荷的靜電相互作用下，形成雙電層結(jié)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)能。放電時(shí)，兩電極上的電荷逡逑沿外電路由負(fù)極流向正極并產(chǎn)生電流，同時(shí)界面上的電解液離子發(fā)生脫附，返回逡逑電解液中，因此該儲(chǔ)能機(jī)理只是個(gè)物理遷移過程，不涉及化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)濃度逡逑保持不變［２２］。這就要求電解液具有高的電導(dǎo)率，才能保證高的雙電層電容，超長(zhǎng)逡逑的循環(huán)穩(wěn)性［２３］。逡逑＿神）＝邐＾邐１逡逑：＇邋ｇ邐，邐＋邐：，邋．ｖ］逡逑ｓ邐－ｒ邋｜ｉ邐Ｍ—ｒ：４逡逑Ｉ邐？邋－邋Ｉ邋；Ｉ逡逑＇１邋ｙ逡逑丨Ｉ邋’邐＾邋１邋ｗｌ逡逑邐１邐邋Ｅ？ｉｔ－0；／ｉｅ邋邐逡逑＇邐＇＇邋Ｈ－３．６ｔ0邐ｆｔｅ＾ｌｒｏｏｐ逡逑圖１－３雙電層電容器的儲(chǔ)能機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2684672