【摘要】：在各種的新興儲能裝置中,超級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)勢被研究人員廣泛關注,并在各領域呈現(xiàn)出巨大應用潛質。當前研究的超級電容器電極材料主要集中在碳材料、過渡金屬氧化物和導電聚合物,以及復合材料等方面。作為一種新型二維碳材料,石墨烯在電學和力學方面的優(yōu)異性能使其成為超級電容器最具潛力的電極材料。石墨烯具有優(yōu)異的雙電容性質和杰出的導電性,但石墨烯片層嚴重的團聚問題,限制了在實際應用中石墨烯性能的發(fā)揮,難以滿足超級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構,改善石墨烯團聚問題,提高石墨烯微球的比表面積,有利于其在超級電容器方面的應用。過渡金屬氧化物具有優(yōu)良的贗電容性能,因此針對石墨烯能量密度低的不足,我們采用廉價的錳鎳氧化物與石墨烯微球復合制備具有高比電容、高能量密度的贗電容復合材料,充分發(fā)揮各材料的性能優(yōu)勢,彌補彼此的不足。通過SEM、TEM、XRD、TGA和電化學測試等表征手段,對制備的材料結構、性能進行分析,研究結果顯示如下:(1)以導電炭黑為成球劑,采用噴霧干燥的方式獲得石墨烯微球材料。當石墨烯與炭黑的質量比為2:1時,石墨烯微球具有均勻的球形結構,平均直徑為2.5μm。BET測試結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。電化學性能測試表明當電流密度為1A/g時,該石墨烯微球電極的單位比電容可達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)以石墨烯微球為載體,通過一步水熱法成功制備了四氧化三錳/石墨烯復合材料。研究結果顯示,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)狀結構,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復合材料在電學性能上優(yōu)越于片狀石墨烯復合材料。當掃描速率為10mV/s時,單位比電容高達317 F/g。而且,4000次的恒流充放電循環(huán)測試下,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)在鎳基復合材料的研究中,采用硫酸鎳與尿素作反應物,在水熱條件下反應,實現(xiàn)了花狀Ni(OH)2在石墨烯微球表面生長。實驗探討了不同條件對Ni(OH)2/GSs復合材料形貌結構的影響。研究結果表明,當反應物NiS04和CH4N2O摩爾比為1:4,150℃水熱反應3h時,復合材料具有均一的微觀形貌和完整的結構,表面負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。電化學性能測試中,當電流密度為0.5A/g時,Ni(OH)2/GSs復合材料的單位質量比電容達到1262 F/g左右,展示出良好的導電性能和電容性能。說明制備的復合材料兼具了各組分的性能特性,在儲能應用領域具有較大的前景。
【圖文】：

逑｝＝ｉ邐Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｓｔｅｅｌ邋ｐｌａｔｅ邐ｊ＾Ｊ逡逑圖１－２超級電容器的結構組成逡逑根據(jù)儲能機制的差異，超級電容器可分為三種：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）的儲能機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電荷緊密排列的雙電層［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ儲能原理如圖１－３所示，充逡逑電時電解液中的陰陽離子在外加電場的作用下發(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，形成雙電層結構進行儲能。放電時，兩電極上的電荷逡逑沿外電路由負極流向正極并產(chǎn)生電流，同時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）的儲能機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電荷緊密排列的雙電層［２（）＞邋２１］。ＥＤＬＣ儲能原理如圖１－３所示，，充逡逑電時電解液中的陰陽離子在外加電場的作用下發(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，形成雙電層結構進行儲能。放電時，兩電極上的電荷逡逑沿外電路由負極流向正極并產(chǎn)生電流，同時界面上的電解液離子發(fā)生脫附，返回逡逑電解液中，因此該儲能機理只是個物理遷移過程，不涉及化學反應，電解質濃度逡逑保持不變［２２］。這就要求電解液具有高的電導率，才能保證高的雙電層電容，超長逡逑的循環(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雙電層電容器的儲能機理
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM53

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李慧;徐媛;盛志兵;李琴;;超級電容器的應用與發(fā)展[J];江西化工;2013年01期

2 李姣姣;王先友;楊順毅;龍晚妹;王宏;白俐;吳強;;碳化鈣骨架碳負極材料的制備及電化學性能[J];中國有色金屬學報;2011年12期

3 戴詠喜;徐沖;劉以建;;應用于脈沖負載的蓄電池和超級電容器混合儲能的研究[J];通信電源技術;2011年04期

4 王康;余愛梅;鄭華均;;超級電容器電極材料的研究發(fā)展[J];浙江化工;2010年04期

5 楊曉東;賀鵬飛;吳艾輝;鄭百林;;石墨烯納米壓痕實驗的分子動力學模擬[J];中國科學:物理學 力學 天文學;2010年03期

6 許檢紅;王然;陳經(jīng)坤;王勇;;超級電容器在電動汽車上應用的研究進展[J];電池工業(yè);2008年05期

7 王然;苗小麗;;大功率超級電容器的發(fā)展與應用[J];電池工業(yè);2008年03期

8 楊全紅;呂偉;楊永崗;王茂章;;自由態(tài)二維碳原子晶體—單層石墨烯[J];新型炭材料;2008年02期

9 陳英放;李媛媛;鄧梅根;;超級電容器的原理及應用[J];電子元件與材料;2008年04期

10 嚴俊;趙立飛;;儲能技術在分布式發(fā)電中的應用[J];華北電力技術;2006年10期

相關會議論文 前1條

1 單既成;陳維英;;超級電容器與通信備用電源[A];通信電源新技術論壇——2008通信電源學術研討會論文集[C];2008年

相關博士學位論文 前2條

1 曲群婷;高性能混合型超級電容器的研究[D];復旦大學;2010年

2 于占軍;多層次結構金屬氧化物超級電容器電極材料的研究[D];武漢理工大學;2010年

本文編號：2684672