本文選題：雙電層電容器　切入點(diǎn)：二氧化鉛　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：電化學(xué)儲(chǔ)能體系在便攜式電子設(shè)備、汽車(chē)啟動(dòng)、混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源儲(chǔ)能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì),隨著電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和大規(guī)�？稍偕茉磧�(chǔ)能的發(fā)展,人們對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能體系提出了更高的要求。鉛和碳是構(gòu)建電化學(xué)儲(chǔ)能器件的兩種較為普通、廉價(jià)的元素。以鉛和碳的單質(zhì)或者化合物可以構(gòu)建C/C雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC)、PbO_2/AC非對(duì)稱(chēng)電化學(xué)電容器(Asymmetric Electrochemical Capacitor,AEC)和鉛炭電池(Lead-Carbon Battery)等電化學(xué)儲(chǔ)能器件。EDLC具有充放電功率高、響應(yīng)速度快和循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),但是其存在活性炭材料制備成本高、制備過(guò)程復(fù)雜和孔徑結(jié)構(gòu)較為單一等問(wèn)題。PbO_2/AC AEC是一種新型的混合儲(chǔ)能器件,具有能量密度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn),在電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻等領(lǐng)域有潛在的價(jià)值。提升其壽命的關(guān)鍵在于改進(jìn)二氧化鉛正極材料。鉛炭電池是負(fù)極經(jīng)過(guò)改進(jìn)的鉛酸電池,在保持鉛酸電池原有價(jià)格低廉、制造工藝成熟和安全性高等特點(diǎn)的同時(shí),其在部分荷電狀態(tài)下的充電接受能力和循環(huán)壽命延長(zhǎng),適合用于可再生能源的儲(chǔ)能。本文從EDLC、PbO_2/AC AEC和鉛炭電池等三種電化學(xué)儲(chǔ)能器件的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā),研究了影響二氧化鉛電極性能的關(guān)鍵因素;組裝了高能量密度的PbO_2/AC AEC;探討了鉛炭電極充電接受能力提高的電化學(xué)起因;基于上述電化學(xué)起因,提出了一種具有3D大孔結(jié)構(gòu)的三維多級(jí)孔道碳材料的制備方法;并將具有3d大孔結(jié)構(gòu)的稻殼炭材料用于可再生能源儲(chǔ)能用的鉛炭電池體系。本論文取得了以下的研究結(jié)論:(1)以三維多孔鈦為基體,采用恒電流電沉積的方法制備了三維多孔鈦基體的二氧化鉛電極(3d-ti/pbo2)。通過(guò)優(yōu)化制備條件得到,在1macm~(-2)電流密度下制備的3d-ti/pbo2電極具有較高的容量,在0.9ag~(-1)的電流密度下,其容量達(dá)到132mahg~(-1)。通過(guò)掃描電鏡、伏安電量和電化學(xué)阻抗等分析方法確定了影響二氧化鉛電極性能的因素。結(jié)果表明,具有高容量和高功率特性的二氧化鉛電極應(yīng)當(dāng)具有較高的比表面積,并且其活性物質(zhì)顆粒之間具有良好的結(jié)合性。(2)探討了3d-ti/pbo2電極和活性炭(activatedcarbon,ac)電極在硫酸電解液中的電化學(xué)行為,以上述3d-ti/pbo2和活性炭為電極組裝了3d-ti/pbo2/acaec。當(dāng)ac和二氧化鉛的質(zhì)量比為1.61時(shí),在0.8-1.8v電壓區(qū)間內(nèi),3d-ti/pbo2/acaec的比電容和比能量達(dá)到最大。此時(shí),3d-ti/pbo2/acaec的比電容為135fg~(-1),比能量為49.4whkg~(-1),比功率為433.2wkg~(-1);當(dāng)比功率達(dá)到2078wkg~(-1)時(shí),其比能量依然能保持在30whkg~(-1)。(3)通過(guò)電化學(xué)和物理化學(xué)的方法,以電容性ac為特征碳材料,探討了鉛炭復(fù)合電極中碳材料的作用機(jī)制。結(jié)果表明,在充電過(guò)程中ac通過(guò)電容的方式貢獻(xiàn)容量很小;pbso4可以優(yōu)先通過(guò)溶解-沉淀反應(yīng)機(jī)理在ac表面實(shí)現(xiàn)還原,也就是說(shuō)ac可以為硫酸鉛的還原過(guò)程提供電子緩沖;同時(shí),活性炭巨大的表面積可以為鉛的沉積提供電子分布�？偨Y(jié)來(lái)說(shuō),活性炭表面的電化學(xué)貢獻(xiàn)是提升鉛炭復(fù)合電極充電接受能力的關(guān)鍵因素。(4)我們提出了一種簡(jiǎn)便的用于制備具有大孔3d骨架的多級(jí)孔道碳材料的方法。以木質(zhì)素為前驅(qū)體,以koh同時(shí)作為活化劑和模板劑,通過(guò)一步碳化的方法制備了具有3d大孔結(jié)構(gòu),同時(shí)兼具介孔和微孔的木質(zhì)素基多級(jí)孔道碳材料(ligninderivedhierarchicalporouscarbon,lhpc)。lhpc被用于以硫酸為電解液的c/cedlc中,表現(xiàn)出相對(duì)較高的容量,較好的功率特性和長(zhǎng)期的循環(huán)穩(wěn)定性。在0.05ag~(-1)電流密度下,lhpc的比電容為165.0fg~(-1),在10.0ag~(-1)電流密度下其比電容依然能保持到123.5fg~(-1)。(5)探討了以大孔為主的稻殼基碳材料對(duì)鉛炭電極在部分荷電狀態(tài)(partialstateofcharge,psoc)條件下運(yùn)行的影響。傳統(tǒng)鉛酸電池的鉛負(fù)極在psoc條件下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致不可逆的硫酸鹽化;以高比表面積活性炭材料為組分的鉛炭電極在PSoC運(yùn)行條件下由于負(fù)極的過(guò)度析氫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞;以稻殼制備的具有豐富大孔結(jié)構(gòu)的稻殼炭(Rice Husk Carbon,RHC)為添加劑的鉛炭電極在PSoC條件下具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的效率。基于RHC的鉛炭電極的優(yōu)異性能被認(rèn)為是其大孔結(jié)構(gòu)為Pb/PbSO_4氧化還原電對(duì)提供反應(yīng)位點(diǎn),從而增加了其可逆性,進(jìn)而提高了其充電接受能力。
[Abstract]:An electrochemical energy storage device such as electric double layer capacitor ( EDLC ) , PbO _ 2 / AC asymmetric electrochemical capacitor ( EDLC ) , PbO _ 2 / AC asymmetric electrochemical capacitor ( EDLC ) , PbO _ 2 / AC asymmetric electrochemical capacitor ( EDLC ) , PbO _ 2 / AC asymmetric electrochemical capacitor ( EDLC ) , PbO _ 2 / AC asymmetric electrochemical capacitor ( AEC ) and lead - carbon battery has been studied . ( 2 ) The electrochemical behavior of the electrode of 3d - ti / pbo2 / acaec in sulfuric acid electrolyte was discussed . The specific capacitance and specific energy of 3d - ti / pbo2 / acaec were the most important when the mass ratio of ac and lead dioxide was 1 . 61 . ( 5 ) The influence of carbon material with large pores on the operation of lead - carbon electrode under partial state of charge ( psoc ) is discussed . The lead - carbon electrode of traditional lead - acid battery can lead to irreversible sulphation under the condition of psoc . The lead - carbon electrode with high specific surface area activated carbon material has good cycle stability and high efficiency under the condition of PSoC . The excellent properties of lead - carbon electrode based on RHC are considered to be Pb / PbSO _ 4 redox pair .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TM53

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本文編號(hào)：1670249