發(fā)布時間：2021-06-28 12:06

　　進(jìn)入21世紀(jì),能源與人類社會的關(guān)系日益密切。隨著人類社會和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)重,可持續(xù)發(fā)展是全人類的共同愿望�，F(xiàn)如今,解決能源枯竭和生態(tài)環(huán)境污染問題是科技的要求,也是儲能領(lǐng)域的挑戰(zhàn),開發(fā)環(huán)境友好、高性能、低成本的新型儲能裝置已成為當(dāng)務(wù)之急。超級電容器（SCs）又稱電化學(xué)電容器,是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能裝置,近年來,由于其具有容量大、電阻低、充放電效率高、功率密度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點而成為研究熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,人們對SCs的認(rèn)識不斷加深,各種具有特殊性能的電極材料和電解質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)。根據(jù)儲能模型和儲能結(jié)構(gòu),SCs可分為三種類型:雙電層電容器（EDLCs）、贗電容器（PCs）和混合超級電容器（HSCs）。層狀雙金屬氫氧化物化合物（LDHs）由于其特殊的結(jié)構(gòu)（其層狀結(jié)構(gòu)能夠提供多種平臺和活性位點）,是典型的新型無機功能材料,在電化學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛力。然而,由于電子轉(zhuǎn)移率相對較低,這種材料的充放電能力受到了限制,因此需要將其組裝成一個混合超級電容器來提高性能。本文以雙金屬鈷-釩為原料制備LDHs電極材料,探究其形貌特征及表面信息與電化學(xué)性能的關(guān)... 

【文章來源】：華僑大學(xué)福建省

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同電能存儲技術(shù)的功率密度與能量能力對比

2超級電容器，又稱為電化學(xué)電容器（ElectrochemicalCapacitors，ECs），是是一種基于高速靜電或法拉第電化學(xué)過程的特殊電容器，是一種新型的儲能設(shè)備[7]。SCs由浸泡在電解液中的一個正極和一個負(fù)極組成，并由離子滲透的電子絕緣分離器隔開，其電荷主要儲存在活性材料的電極-電解質(zhì)界面，如高表面多孔碳、金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏萚1]。雖然一般的充放電機理和性能原理與常規(guī)電容器相似，但初始超級電容器的比電容和能量密度比常規(guī)電容器提高了10萬倍甚至更多。這是通過加入比表面積大1000倍的活性電極材料、納米級介電距離和額外的贗電容來實現(xiàn)的。因此，超級電容器每臺設(shè)備甚至可以存儲幾千法拉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器存儲的微法拉或毫法拉[8]。在注重科技的今天，SCs的研究和應(yīng)用得到了不斷發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)常提起的儲能裝置還包括電池（燃料電池、鉛蓄電池、鋰離子電池等）。在儲能機理方面，SCs具有與電池不同的過程，是靜電的、非法拉第的，具有快速充放電的優(yōu)點。而在能量功率及功率密度方面，SCs與電池呈現(xiàn)出互補的狀態(tài)（如圖1.1所示），可以相互結(jié)合形成混合系統(tǒng)。1.2.1超級電容器分類SCs有兩種不同的儲能機制，根據(jù)儲能機制SCs可以被分為雙電層電容器（ElectricDoubleLayerCapacitors，EDLCs）、贗電容器（又稱準(zhǔn)Faradaic電容器，Pseudo-capacitors，PCs）以及混合電容器（HybridSupercapacitors，HSCs）三種類型，其中，HSCs是EDLCs與PCs相結(jié)合而產(chǎn)生的[9-12]。此外，根據(jù)正負(fù)極電極材料是否一致，SCs可以分為對稱型超級電容器以及非對稱型超級電容器（ASCs）。圖1.2EDLCs原理圖。(AccountsofChemicalResearch,2011,46(5):1094-1103)

3EDLCs是最簡單和最商業(yè)化的SCs，當(dāng)導(dǎo)電電極浸沒在離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液中時，由于電極-電解質(zhì)界面上電荷的遷移便會自發(fā)地形成雙電層，電荷通過靜電吸附在電極和電解質(zhì)之間的界面完成物理存儲[13]。EDLCs的一個顯著特征是電極與電解質(zhì)之間不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，即電極與電解質(zhì)之間不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，沒有法拉第過程發(fā)生，其比電容很大程度上取決于電極材料的有效比表面積和表面特性。由于電極具有多孔結(jié)構(gòu)的高比表面積，因此EDLCs的行為高度依賴于電極材料的孔隙率，彎曲傳質(zhì)路徑的親和度、孔隙內(nèi)的面積約束、與溶液有關(guān)的電現(xiàn)象以及溶液對孔隙表面的潤濕性等因素對封閉系統(tǒng)中粒子的輸運起著至關(guān)重要的控制作用。圖1.2展示了多孔碳導(dǎo)電材料的EDLCs的機理。EDLCs的比電容（C）亥姆霍茲在1853年描述為:C=式（2.1）其中，代表了電解質(zhì)溶液的介電常數(shù)；代表了真空狀態(tài)下的介電常數(shù)；A為電極材料的有效比表面積；d表示雙電層之間的距離（德拜長度）。這個電容模型后來由Gouy和Chapman、Stern和Geary改進(jìn)，他們認(rèn)為電解質(zhì)中存在彌散層，這是由于靠近電極表面的離子積累造成的[14]。由于碳基材料具有良好的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性和多孔性等優(yōu)點，各種形式的碳納米材料被研究和用作EDLCs電極的活性材料[15]。盡管有一些理論和實驗研究，EDLCs中電荷在納米結(jié)構(gòu)表面的存儲機制尚未完全闡明。因此，需要深入的理論和實驗研究來準(zhǔn)確評估微孔內(nèi)電荷的存儲機制，以實現(xiàn)EDLCs的可持續(xù)發(fā)展[4]。圖1.3不同類型的贗電容性電極原理圖。(JournalofPowerSources,1997,66:1-14)


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