能量儲存體系在生活中扮演著越來越重要的角色,而超級電容器和電池就是最前沿、最重要的兩種。在過去的幾年中,導(dǎo)電高分子基的電極材料因?yàn)槠涓叩难趸�原電容,高導(dǎo)電性,最重要的是其固有的柔韌性,而被廣泛地應(yīng)用于制作柔性超級電容器;而因?yàn)楫?dāng)材料的尺寸達(dá)到納米尺度時,其電學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及機(jī)械性能等都有很大的提升,因此,近來電池的發(fā)展很大程度上關(guān)注于將電極材料納米化來提高電池的性能。因此本論文就這兩方面做了以下兩個工作,分別制備出了一種柔性電極材料和一種納米電極材料。其主要研究結(jié)果如下:(1)BC納米纖維本身具有極細(xì)的直徑(40-50 nm)和優(yōu)異的機(jī)械性能,而且擁有親水性官能團(tuán)如-OH和-COOH等。而PEDOT因其高的工作電壓(大約1.2 V)和優(yōu)異的穩(wěn)定性,而成為制備柔性超級電容器最受歡迎的導(dǎo)電高聚物之一。因此,我們利用BC本身固有的親水性吸附氧化劑在其表面,并利用EDOT在水中極小的溶液度,控制EDOT的聚合速率,使其緩慢規(guī)整的聚合在其表面,從而得到一種超薄(大約12μm)的具有三維多孔結(jié)構(gòu)的柔性自支撐BC-PEDOT電極。這種柔性電極的面積比電容在1 mA cm~(-2)的電流密度下達(dá)到442.2 mF cm~(-2)。而且其組裝成的柔性全固態(tài)對稱超級電容器,在0.83 A cm~(-3)的電流密度下單位體積容量可達(dá)到106.3 F cm~(-3),而且其電化學(xué)性能在各種柔性狀態(tài)下依然保持穩(wěn)定。(2)具有開放結(jié)構(gòu)通道和足夠大層間距的K系鈦酸鹽有利于Li~+/Na~+的脫嵌和擴(kuò)散。而電極材料的納米化對于Li~+/Na~+的快速嵌入和脫出,縮短擴(kuò)散路徑以及電子到集流體的快速轉(zhuǎn)移是很有效的。因此,我們制備并研究了K_2Ti_4O_9納米帶、KTi_8O_(16.5)微米棒和KTi_8O_(16.5)納米帶三種陣列材料在作為鋰/鈉離子電池負(fù)極上的性能。通過分析比較它們的晶體結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)性能,來研究它們的儲鋰、儲鈉能力。我們發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的鈦酸鉀要比微米結(jié)構(gòu)的鈦酸鉀的儲鋰、儲鈉能力好的多;而與K_2Ti_4O_9納米帶陣列相比,具有更大層間距的KTi_8O_(16.5)納米帶陣列的儲鋰、儲鈉能力更強(qiáng)。KTi_8O_(16.5)納米帶陣列電極在200 mA g~(-1)的電流密度下,鋰離子電池容量高達(dá)601.7 mAh g~(-1),鈉離子電池容量可達(dá)246.4 mAh g~(-1)。而且,在5A g~(-1)的電流密度下,經(jīng)過10000次的循環(huán)后,其鈉離子電池的容量為61.95 mAh g~(-1),容量保持率可達(dá)94.3%。結(jié)果表明,具有良好的儲鋰、儲鈉能并且安全穩(wěn)定的KTi_8O_(16.5)納米帶陣列在作為鋰離子電池和鈉離子電池的負(fù)極材料上是很有前途的。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM53;TB383.1
【部分圖文】：

圖 1-1 各種電子能量儲存器件單位功率對單位能量的比較圖，也叫能量比較圖[3]。自 1990 年（此前，Whittingham、Scrosati 和 Armand[4]進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究）索尼公司推出了鋰離子電池以來，鋰離子電池已經(jīng)在便攜式電子器件、電動汽車和大規(guī)模能量儲存等方面得到廣泛應(yīng)用[5,6]。鋰離子電池-因?yàn)槠涓吣芰棵芏�、電壓高、自放電低、環(huán)境友好、設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)[7,8]在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用層面受到了廣泛的關(guān)注——目前的表現(xiàn)優(yōu)于其他系統(tǒng)，占全球便攜式電池銷售額的 63%[9]。雖然鋰電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏�，但是鋰離子電池在一定程度上受到了功率密度的限制，因?yàn)槠漭^慢的功率傳輸或吸收，而在大量的應(yīng)用中需要更快、更高功率的能量儲存系統(tǒng)，而這時候，超級電容器就開始發(fā)揮作用了[10]。超級電容器可以在幾秒鐘之內(nèi)完全放電或充電完畢，這就導(dǎo)致其功率密度可以達(dá)到 10kWkg-1。因此，其在一些能量儲存領(lǐng)域，例如不間斷電源（用于防止電力中斷的備用電源）、國防設(shè)備、柔性儲能器件、電動汽車以及一些其他大功率電子器件等，發(fā)揮著重要的的作用[11]。最近的一個例子就是電

圖 1-2 雙電層超級電容器的充放電示意圖[20]。之后 Gouy、Chapman、Stern 和 Geary 又對其進(jìn)行了精簡[21]，因?yàn)殡娙荻际请x子在電極與電解液界面處累積形成雙電層產(chǎn)生的，只有電解質(zhì)不同，所以電容在 5 到20 μFcm 2之間波動，而由公式 1-2 可知電容器對能量的儲存量與電壓的平方成正比，公式 1-2 如下所示： =12 2(1-2)因此，雖然一般水系電解質(zhì)下的電容比有機(jī)電解質(zhì)下的高，但是在有機(jī)電解質(zhì)中電容器的操作電壓要高得多，對稱條件下甚至可以達(dá)到 2.7 伏，所以有機(jī)電解質(zhì)的應(yīng)用反而更加廣泛一些。EDLC 的形成是靜電吸附的結(jié)果，在電極中沒有氧化還原反應(yīng)的存在，靠的是高的比表面積。而這與電池相比，就有有很大的不同，因?yàn)槭峭ㄟ^靜電吸附儲存電荷，而這種儲存機(jī)制要比通過氧化還原反應(yīng)儲存電荷快得多，因此，EDLC 的功率要好的多，而且不存在極化電阻和體積膨脹等安全問題。所以，EDLC 可以持續(xù)數(shù)百萬次的

液中選擇性氧化來增大 SSA 和孔隙率。來自大自然的原料，瀝青、煤或者一些合成材料如高分子等都可以作為前驅(qū)體使用米的微孔，還是 2 到 50 納米之間的中孔，亦或是大于 50 納米過上訴方法處理后，在碳材料中得到。而也因此，碳材料的孔尺寸有一個很廣闊的分布范圍，所以碳材料的微觀結(jié)構(gòu)以及性。雖然碳材料在水系電解質(zhì)中的電容要稍高于有機(jī)電解質(zhì)中分解限制了電解質(zhì)的電壓窗口，導(dǎo)致做組裝的器件的工作電壓LC 器件的典型循環(huán)伏安（CV）曲線在圖 1-3 中得到展示。它電層電容機(jī)制的電容器電荷儲存的 CV 曲線的典型特征。根 = × 是電流，（dV/dt）是電壓掃描速率，而 C 代表的則是雙電層個 EDLC 的 CV 曲線，其呈矩形，可以看出，同一個電容器，下，電流則不變，與公式 1-3 相對應(yīng)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李少慧;超級電容器材料的制備及其性能研究[D];華中科技大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 林沃榮;石墨烯基復(fù)合儲能材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[D];暨南大學(xué);2015年

2 牛麗麗;碳酸鋰包覆碳微球材料的制備及其電池表現(xiàn)[D];山西師范大學(xué);2015年

3 丁翻;EQCM研究電解質(zhì)對MnO_2電化學(xué)電容性能的影響[D];鄭州大學(xué);2012年

本文編號：2809031