超級電容器是一種具有高功率密度,長循環(huán)壽命的能進行快速充電的新型儲能裝置,可以應(yīng)用于電動汽車、便攜式電子設(shè)備和可再生能源的能量存儲與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。但是,超級電容器的能量密度較低,導(dǎo)致在實際應(yīng)用中難以大規(guī)模推廣。在超級電容器中,電極是最重要組成部分,對超級電容器的性能表現(xiàn)具有決定性的作用,因此研究和開發(fā)具有高性能的電極材料對提升超級電容器能量密度具有重要意義。鈷基氧化物,硫化物和氫氧化物是常見的容易合成的材料,當作為超級電容器的電極材料時,它們都表現(xiàn)出很好的電化學(xué)活性,能與電解液發(fā)生快速的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電容,從而具有很高的理論容量,是很有前景的贗電容材料。但是,鈷基氧化物,硫化物和氫氧化物的導(dǎo)電性普遍較差,實際電容量較低,并且在進行快速充放電過程中容易發(fā)生體積膨脹,導(dǎo)致難以商業(yè)化應(yīng)用。因此,為了得到具有高性能的鈷基電極材料,本課題通過將電極材料納米化,調(diào)控材料形貌以及與高導(dǎo)電性的石墨烯復(fù)合等策略提升鈷基電極材料的導(dǎo)電性、比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。最后將鈷基正極材料用于水系非對稱超級電容器中來拓寬工作電壓,進一步提升能量密度。主要研究內(nèi)容如下:（1）氧化石墨烯表面具有豐富的官能團能將Co2+吸附... 

【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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圖１．２超級電容器的運用場景

?山東大學(xué)博士學(xué)位論文???＾■１??＾■圓??圖１．３雙電層電容器儲能原理。??Ｆｉｇ．?１．３?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ．??雙電層電容器，作為最早被發(fā)現(xiàn)和研究的超級電容器，是一種比較成熟的??儲能器件，目前己經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，市面上在售的大部分超級電容器都為雙電層??電容器。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ最先提出雙電層電容理論，后經(jīng)Ｇｏｕｙ，?Ｃｈａｐｍａｎ和Ｓｔｅｒｍ進??一步補充和修改，最終形成了用來研究雙電層電容較為完善的理論模型它??的儲能原理如閣１．３所示，可以把雙電層電容器近似的看成平板電容器，當進行??充電時，電容器的正極在外加電場的情況下帶有正電，而負極帶負電，此時為??了平衡電極的電荷，電解液中的帶有正／負電荷的電解質(zhì)離子會向電容器的負／正??極移動，在電極表面形成反向電荷層，該電荷層由電荷分布較為緊密的內(nèi)層緊??密層和外層擴散層構(gòu)成。因此雙電層電容（Ｃ）可以認為是內(nèi)層緊密層電容（＜＆）??和擴散層電容（Ｃｒｆ＃）串聯(lián)后的結(jié)果，關(guān)系如下：??１?１?，?１??（Ｌ２）??而當進行放電時，負極電子通過外電路轉(zhuǎn)移至止極，導(dǎo)致電極之間的電勢??消失，雙電層中的正負離子則從電極表面釋放回到電解液中。雙電層電容器主??要是通過在電極材料表面和電解液之間形成致密的電荷層來實現(xiàn)能量存儲，是??一種靜電存儲，在進行充放電時不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不破壞電極材料，因此雙電??層電容器充放電迅速，功率密度大，且循環(huán)穩(wěn)定性好［１５］。由于電荷只存儲在電??極材料表面，電極材料的比表面積對其容量影響很大，因此雙電層電容器容量??普遍較低，受

?山獻雜士學(xué)麟文??Ａｕ?＋?．ｒＰｂ２?＾?Ｉｒｅ＇?—？?Ａｕ－．ｖＰｂ＾?ＲｕＯ?（ＯＨ）?＋ｒＨ?＋ｒｃ?＾—■？ＲｕＯ?＜ＯＨ）?Ｎｂ，０－?－?．ｒＬｉ?？?￣？?Ｌｉ?Ｎｂ，０＾??ＲｕＯ：?Ｈｙｄｒｏｕｓ?ｇｒａｍ?Ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ??＇?ｄｏｕｎｄａｒｖ－?ｈｏｓｔ?ｍａｔｅｒｉａｌ?Ｌｉ??ｉ?ｉｖ?ｉ｜?ｍ?．：??欠電位沉積?氧化還原贗電容?嵌入型贗電容??圖１．４贗電容的三種儲能機理。??Ｆｉｇ．?１．４?Ｔｈｒｅｅ?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｏｆ?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒｓａｎｃｅ．??贗電容器，又被稱為法拉第電容器，最早由渥太華大學(xué)的Ｃｏｎｗａｙ教授提出。??贗電容器在進行能量存儲過程時，電極材料的表面或者體相與電解質(zhì)離子發(fā)生??快速的化學(xué)吸附／脫附或者可逆的氧化還原反應(yīng)存儲電荷從而產(chǎn)生電容效應(yīng)［１６，１７］。??如圖１．４所示，依據(jù)產(chǎn)生贗電容的電化學(xué)過程，可將贗電容分為三種類型：一種??是欠位沉積電容，第二種是氧化還原反應(yīng)贗電容，第三種是插層式贗電容［１８］。??其中，欠電位沉積電容是指一種金屬陽離子在另一種具有遠高于其氧化還原電??位的金屬表面形成單層吸附的過程，比如Ｐｂ２＋在Ａｕ表面進行沉積。氧化還原反??應(yīng)贗電容是指電解液中的離子在電場作用下被吸附到電極材料的表面或者近表??面并與電極材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電極材料隨之被氧化或者還原，使得電極材??料的價態(tài)發(fā)生變化，將離子／電子轉(zhuǎn)換成電荷儲存起來產(chǎn)生贗電容。嵌入型贗電??容是指電解液中的帶電離子嵌入到電極材料的體相內(nèi)，該過程會伴隨著氧化還??原反應(yīng)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生贗電容，并且


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