超級電容器因其充放電速率快、功率密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注并成為重要的電化學(xué)儲能器件之一,但超級電容器與可充電電池相比具有能量密度較低的缺點(diǎn)。因此需開發(fā)具有高能量密度、高工作電壓、同時又不會大量衰減功率傳輸和循環(huán)壽命的超級電容器,以滿足實(shí)際應(yīng)用中需求。同時,可穿戴和便攜式電子設(shè)備,例如可彎曲的智能手機(jī),電子皮膚和可植入醫(yī)療設(shè)備得到快速發(fā)展。為了確保這些設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行良好,開發(fā)能在嚴(yán)重變形條件下保持其高性能和耐用性的柔性儲能器件和技術(shù)十分必要。因此,本論文旨在對高性能、高電壓、高柔性,同時具有較高能量密度的超級電容器進(jìn)行研究。制備一種新穎的非對稱超級電容器基于NiO/Ni納米片、α-Fe2O3/CC納米棒分別作為正極和負(fù)極。器件呈現(xiàn)了最大能量密度為12.4 Whkg-1,具有良好的循環(huán)性能（10,000次循環(huán)后電容保留效率為85%）。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先,負(fù)極和正極材料均是良好的贗電容金屬氧化物。它們因其低成本,高理論比電容,易于獲得,對環(huán)境無害的特性以及在堿性電解液中的良好穩(wěn)定性而成為高性能超級電容器電極材料的候選。在其它工作中,很少有報道關(guān)于非對稱超級電容... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：136 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

各種類型儲能設(shè)備的能量密度功率密度對比圖(Ragone圖)[8]

第1章緒論-3-1.2.1雙電層超級電容器通常，EDLC由兩個具有高比表面積的碳基電極，電解質(zhì)和隔膜組成(圖12)[16]。當(dāng)超級電容器充電時，電解質(zhì)中的陽離子會移動到負(fù)極電極，而陰離子會遷移到正極電極。雙電層的概念最早由Helmholtz提出，然后Gouy和Chapman改進(jìn)了這個簡單的模型：他們引入了一個擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層是由于靠近電極表面的離子積累而產(chǎn)生的。但是，Gouy-Chapman模型高估了雙電層電容，由于電容器兩個分離的電荷陣列與它們距離成反比，因此最終得到了很大的電容值。后來，斯特恩將這兩個模型結(jié)合起來，定義了離子分布的兩個部分分別是致密層和擴(kuò)散層。在致密層中，水合離子被電極強(qiáng)烈吸附，致密層由特異性吸附的離子和非特異性吸附的抗衡離子組成。擴(kuò)散層是Gouy-Chapman模型定義的。EDLC中的電容可被視為來自致密層和擴(kuò)散層的電容的組合。對于平板電容器，EDLC通常由以下公式給出：C=εrε0Ad(1-1)其中εr是電解質(zhì)的介電常數(shù)，ε0是真空的介電常數(shù)，A是電解質(zhì)離子可用的電極表面積，d是雙電層的有效厚度，C是雙電層電容。然而，也有一些工作表明，電容和比表面積沒有顯示線性關(guān)系。這種非線性主要?dú)w因于存在一部分大溶劑化離子無法進(jìn)入一些微孔造成的。Huang等人考慮了這種孔隙分布，并根據(jù)孔隙大小分離了電容[17]。無論采用哪種類型的碳材料和電解質(zhì)，它們的模型都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。迄今為止，各種碳材料諸如活性炭，碳納米管（CNT）和石墨烯之類的化合物因其高比表面積，高電導(dǎo)率，易于加工和高化學(xué)穩(wěn)定性而成為最廣泛使用的活性電極材料。圖12雙電層超級電容器的儲能機(jī)理[16]Fig.12SchematicstructureofanEDLC[16]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-4-1.2.2贗電容器EDLC的電容在很大程度上取決于電極材料的表面積和孔徑分布。相反，贗電容器通過電解質(zhì)與電極材料之間的快速且可逆的氧化還原反應(yīng)來存儲能量，如圖1-3所示[18]，當(dāng)將電壓施加到贗電容器上時，電極材料上就會發(fā)生快速且可逆的氧化還原反應(yīng)。贗電容器和電池發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的過程也存在著不同，贗電容器主要?dú)w因于熱力學(xué)的原因，而電池是利用能斯特過程發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，并且兩個電極材料之間的電位在理想狀態(tài)下，應(yīng)保持恒定[19]。由于贗電容器的電極材料既可以在表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時也可以在體相中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，因此它可以產(chǎn)生比雙電層電容器高10-100倍的比容量[20]。但由于法拉第反應(yīng)在存儲電荷過程中所需時間較長。所以贗電容器在功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性上是低于雙電層電容器的[21]。贗電容器的典型電極材料包括導(dǎo)電聚合物[22-25]、金屬氧/硫化物或氫氧化物[26-30]。圖13贗電容器的儲能機(jī)理[16]Fig.13Schematicstructureofthepseudocapacitortype[16]1.3超級電容器電極材料的研究現(xiàn)狀1.3.1碳材料多孔碳材料眾所周知是應(yīng)用于超級電容器中的理想材料不僅由于其易于獲得和無毒的特性，而且還因?yàn)樗鼈兙哂懈弑缺砻娣e、優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性、高的化學(xué)穩(wěn)定性和較寬工作范圍[31-35]。在過去幾年中，已經(jīng)廣泛報道了各種碳材料，例如活性炭，石墨烯和碳納米管(CNT)作為雙電層超級電容器的電極材料。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]國內(nèi)外超級電容器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 周曉航,方鯤,李玫.  新材料產(chǎn)業(yè). 2015(03)
[2]超級電容器綜述[J]. 劉小軍,盧永周.  西安文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版). 2011(02)
[3]超級電容器的原理及應(yīng)用[J]. 陳英放,李媛媛,鄧梅根.  電子元件與材料. 2008(04)

博士論文
[1]碳基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、規(guī)模化制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[D]. 陳立鋒.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013



本文編號：3221497