【摘要】：為應(yīng)對(duì)能源需求的快速增長(zhǎng),鋰離子電池和超級(jí)電容器等代表性新能源器件性能的提升已經(jīng)成為目前能源儲(chǔ)存領(lǐng)域亟需解決的問題。在能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中,電極材料是決定器件性能的一個(gè)重要因素,因此,開發(fā)高能量密度和高功率密度的新型電極材料已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。針對(duì)這一科學(xué)問題,本論文選用具有較高理論容量、較低成本并且環(huán)境友好的二氧化錫為研究對(duì)象,通過對(duì)二氧化錫基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、形貌、孔隙結(jié)構(gòu)以及組分等進(jìn)行調(diào)控,解決二氧化錫電極材料電子傳輸和離子擴(kuò)散速率較小的動(dòng)力學(xué)問題,構(gòu)建具有高容量、長(zhǎng)壽命的新型納米復(fù)合贗電容材料,具體研究?jī)?nèi)容如下:通過水熱合成法制備了二氧化錫與酚醛樹脂的復(fù)合物溶膠球(Sn4+/RF),然后在空氣氛中進(jìn)行熱處理得到由納米晶粒構(gòu)成的中空微球SnO2材料(HS)。在考察Sn4+/RF溶膠球合成條件時(shí)發(fā)現(xiàn),鹽酸能催化酚醛樹脂聚合且能抑制Sn4+水解,對(duì)中空微球SnO2結(jié)構(gòu)的形成具有重要作用。與納米顆粒SnO2相比,中空微球SnO2材料具有較大的比表面積和較小的晶粒尺寸,用于超級(jí)電容器電極材料時(shí),可以提高電極的結(jié)構(gòu)和界面穩(wěn)定性,為OH-提供更多的活性位點(diǎn),表現(xiàn)出較高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。以比表面積為28 m2 g-1、晶粒尺寸為8.8 nm的中空微球SnO2(HS-10-0)制備的超級(jí)電容器電極材料,主要利用贗電容來儲(chǔ)能,在1 mV s-1掃描速率下,其比電容為179 Fg-1,在200 mA g-1電流密度下循環(huán)2000圈后,比電容的保持率達(dá)到95%。利用酚醛樹脂熱解后殘?zhí)悸瘦^高的優(yōu)點(diǎn),將上述合成的Sn4+/RF復(fù)合溶膠球在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行原位熱處理,制備了多組分二氧化錫/碳復(fù)合物(SnO2/C)。熱處理溫度影響產(chǎn)物的組分與結(jié)構(gòu),當(dāng)熱處理溫度為800 ℃時(shí),部分SnO2被C原位熱還原為金屬Sn,二氧化錫/碳復(fù)合物(SnO2/C-800)中金屬Sn和Sn-C化學(xué)鍵的存在能促進(jìn)電子和電荷的快速傳輸,有利于提高超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。在10mVs-1掃描速率下,SnO2/C-800的質(zhì)量比電容高達(dá)261 Fg-1。此外,在Sn4+/RF合成過程中,鹽酸能催化酚醛樹脂聚合且能抑制Sn4+水解,從而影響最終產(chǎn)物的錫含量和殘?zhí)悸�。二氧化錫/碳復(fù)合物(SnO2/C-1.0,800)主要利用贗電容來儲(chǔ)能,其在1 mV s-1掃描速率下的比電容為907 F g-1。與SnO2和C-800的機(jī)械混合物相比,SnO2/C-1.0,800具有更大的比電容、更好的倍率性能、更小的電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散電阻�；赟nO2納米復(fù)合材料的贗電容貢獻(xiàn)能提高鋰離子電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,通過水熱合成法制備了前驅(qū)體二氧化錫基石墨烯復(fù)合材料(Pre-SnO2@G),然后利用原位熱處理法將高容量的磷引入前驅(qū)體,制備了磷化二氧化錫基石墨烯復(fù)合材料(P-SnO2@G)。將P-Sn02@G作為鋰離子電池負(fù)極材料后,研究了其儲(chǔ)鋰性能和贗電容性能。研究發(fā)現(xiàn),與Sn02@G相比,P-SnO2@G具有二維層狀納米結(jié)構(gòu)及多相組分(SnO2、SnPx和Sn),其中納米Sn組分和二維層狀納米結(jié)構(gòu)縮短了電子和離子的傳輸距離,提高了材料電化學(xué)性能;多相組分(SnO2、SnPx和Sn)間的相互協(xié)同作用在儲(chǔ)鋰過程中減緩了材料的體積膨脹效應(yīng)。與SnO2@G電極相比,P-SnO2@G的初始庫(kù)倫效率高達(dá)79%,表明材料具有較好的可逆性;在0.5 Ag-1電流密度下循環(huán)50次后,其可逆比容量為889 mAh g-1,容量保持率高達(dá)94%,表明材料循環(huán)穩(wěn)定性較好;對(duì)其動(dòng)力學(xué)過程分析可知,在1 mV s-1掃描速率下,該材料的贗電容貢獻(xiàn)高達(dá)82%,解釋了 P-SnO2@G電極具有優(yōu)異倍率性能的原因。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33
【圖文】：

圖ｌ．ｉ實(shí)際生活中能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的分類ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ邋ｉｎ邋ｌｉｆｅ逡逑如圖１．１所示，根據(jù)能源存儲(chǔ)方式不同，生活中應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為四大類逡逑機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電子儲(chǔ)能及電化學(xué)儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能是一種重要的儲(chǔ)能方法，主要逡逑通過水力發(fā)電完成。與機(jī)械儲(chǔ)能相比，電化學(xué)儲(chǔ)能具有更強(qiáng)的靈活性和維護(hù)便利等特性，逡逑因此在便攜式電子移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車的電力終端方面得到了廣泛應(yīng)用。電化學(xué)儲(chǔ)能系逡逑統(tǒng)（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｓｔｏｒａｇｅ，邋ＥＥＳ）可以分為電化學(xué)電容器（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ逡逑－１邋－逡逑

Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ逡逑雙電層電容器利用電極材料與電解液的固／液界面雙電層來儲(chǔ)能。根據(jù)Ｈｅｌｍｈｏｌｚ的逡逑雙電層吸附理論，如圖１．３所示，外加電壓充電時(shí)，電子通過外部線路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，由逡逑于異性電荷的靜電引力作用，電解液中的正離子會(huì)向負(fù)極方向遷移并吸附到負(fù)極材料表逡逑面，與負(fù)極材料內(nèi)部的負(fù)電荷形成正、負(fù)電荷數(shù)量相等的界面層；同時(shí)，電解液中的負(fù)逡逑離子向正極方向移動(dòng)并吸附在正極材料表面形成雙電層，直至達(dá)到平衡，此時(shí)，正負(fù)電逡逑極之間產(chǎn)生一定的電位差，達(dá)到了能量存儲(chǔ)的效果在放電過程中，沒有外加電壓時(shí)，逡逑將兩電極與外電路連接，電子從負(fù)極回到外電路的正極，電極材料表面吸附的電解液正逡逑負(fù)離子重新擴(kuò)散回到電解液中，并趨于均衡穩(wěn)定，達(dá)到電中性，整個(gè)充放電過程完成逡逑［１２，１３］。雙電層電容器的儲(chǔ)能過程為典型的物理儲(chǔ)能過程

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

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本文編號(hào)：2736536