發(fā)布時間：2019-09-13 12:20

【摘要】：由于全球變暖與化石燃料短缺所帶來的諸多社會以及環(huán)境問題,對于可再生的新型能源的需求推動科研人員開發(fā)出諸如太陽能電池、鋰離子電池等許多先進的能源儲存系統(tǒng)。其中,超級電容器是一種新型具有杰出的功率密度、優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)壽命等優(yōu)點的儲能器件,從而引起了廣泛的關(guān)注。從儲能機理方面,超級電容器可以分為:雙電層電容器其是基于電荷在電極表面聚集存儲能量的而贗電容器則是在電極表面產(chǎn)生法拉第反應(yīng)存儲能量的。兩者對比,贗電容器可以有比雙電層電容器更高的能量密度,其作為理想的電化學(xué)活性材料具有很好的前景。近期,層狀雙金屬氫氧化物由于其獨特的層狀結(jié)構(gòu)中豐富離子的存在和過渡金屬的存在為其提供了豐富的活性位點和電子通道的優(yōu)勢,從而引起廣泛的研究興趣。并且層狀雙金屬氫氧化物作為超級電容器電極材料,它可以同時擁有雙電層電容與法拉第電容儲能機理。其具備高的氧化還原性,低成本,自然環(huán)保都是使其成為良好的贗電容材料的潛在優(yōu)勢。但是,對于層狀雙金屬氫氧化物電極材料,具有相對較低的電導(dǎo)率,限制了電解質(zhì)離子和電子的轉(zhuǎn)移,并且其本身的金屬氧化物體積膨脹效應(yīng)都影響了電化學(xué)性能。本課題工作是基于鉆鋁雙金屬氧化物,通過以其為基礎(chǔ)采用酸、堿刻蝕構(gòu)筑多級結(jié)構(gòu)電極材料,改善其雙金屬氫氧化物的團聚和堆疊,增大材料的比表面積,使得材料的活性位點得到裸露,縮短電子與離子的傳輸,進而提高電導(dǎo)率和改善穩(wěn)定性。具體研究工作如下闡述:1.采用一步水熱法制備出具有八仙花狀鉆鋁雙金屬氫氧化物,通過控制前驅(qū)體濃度調(diào)控其形貌,然后用氫氧化鈉在保留其形貌的前提下刻蝕部分鋁元素造孔從而增大材料比表面積,其多級孔狀結(jié)構(gòu)提供了更多的電化學(xué)活性位點得到了較高的比容量,并且在充放電過程中有效地阻止了材料的膨脹破壞提高了其循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測試表明刻蝕時間在4h時,材料擁有最好的電容性能,在0.5 Ag-1下,比電容量高達873Fg-1。在將材料組裝成不對稱電容器后,充放電1000圈后電容保持率還在79.9%。2.采用回流法制備具有二維六邊形片狀結(jié)構(gòu)的鉆鋁雙金屬氫氧化物,接著,調(diào)節(jié)pH在水溶液中常溫攪拌,得到聚多巴胺包覆二維片狀鈷鋁雙金屬氫氧化物,隨后抽濾成膜-酸刻蝕-氮氣保護下鍛燒-酸刻蝕制備出具有三維多層中空結(jié)構(gòu)的碳材料。在氮氣保護下當(dāng)溫度為650℃時,性能到達最優(yōu)。當(dāng)電流密度高達10A g-1時,比容量仍舊高達152Fg-1,組裝成器件后,進行5000次循環(huán)測試,保持率仍在85.6%。
【圖文】：

電容（圖ｌａ）。為了最大限度地提高電荷存儲容量，電極材料通常由高度多孔的碳逡逑材料制成。并且，由于是基于雙電層機制的超級電容器，它擁有寬的界面面積和逡逑在原子范圍內(nèi)電荷之間的分離距離，也可以存儲更多的能量。如圖１．２ａ，雙電層逡逑Ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ邐Ｓｔｅｒｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑，邐ｆｔ邐Ａ邐＾邐／—心、Ｄｉｆｆｕｓｅ邋ｌａｙｅｒ逡逑ｆ邋ｆ邐房邋Ａ邋？。ｓｏｌｖａｔｅｄ邋ｃａｔｉｏｎ逡逑Ｉｔｉ邋Ａ？邋ｅ＾ｉ邐＼邐？逡逑ｍ邐ｉｍＺｅ＼邐ａｎｉｏｎ逡逑＋邋１邐Ｉ邐氣邐ｆＴ？邐？ｉ逡逑ｍＪ邐Ｔ邐ｉ邐Ｔｉｎ邋ｊ逡逑ＩＭＰ邋ＯＨＰ逡逑⑷邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．２帶正電表面的雙層模型（ａ）亥姆霍茲模型；（ｂ）邋Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ模型；（ｃ）邋Ｓｔｅｒｎ逡逑模型逡逑Ｆｉｇｌ．邋２．邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｗｉｔｈ邋ｐｏｓｉｔｉｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ：邋（ａ）邋Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ邋ｍｏｄｅｌ；邋（ｂ）邋Ｇｏｕｙ－逡逑Ｃｈａｐｍａｎ邋ｍｏｄｅｌ；邋ａｎｄ邋（ｃ）邋Ｓｔｅｒｎ邋ｍｏｄｅｌ．逡逑的概念首先由Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ在第十九世紀調(diào)查在膠體粒子的界面處分布相反的電荷逡逑進行描述和模擬的［４］。Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ雙層模型表明，在電極／電解質(zhì)界面上形成兩層逡逑相反的電荷，并由原子間距分離。該模型是類似的兩個板的常規(guī)電容器。由Ｇｏｕｙ逡逑和Ｃｈａｐｍａｎ進一步修改Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ雙電層模型，，基于該模型發(fā)現(xiàn)在電解質(zhì)溶液逡逑中一個連續(xù)分布的電解質(zhì)離子通過熱運動驅(qū)動所組成的擴散層（見圖１．２ｂ）。然而，逡逑在基于Ｃｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ模型時

．丨逡逑}Ｕ邋＾ＬＪ逡逑ＰｏｓＨＩｖ＃邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ＮｅｆＭｉｖ＃逡逑圖１．３雙電層電容示意圖Ｉ６１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３．邋Ａｂｒｉｄｇｅｄ邋ｇｅｎｅｒａ）邋ｖｉｅｗ邋ＥＤＬＣｆ６］．逡逑電化學(xué)雙層電容如圖0所示，可以明確看到電化學(xué)雙層電容器的結(jié)構(gòu)，其逡逑是由電極、電解液和隔膜組成的。電極材料一般是碳，石墨烯或它們的衍生物。逡逑這些碳材料比表面積非常大，因而適用于雙電層電容器［７］。所述的電極也包括所逡逑述的集流體。電解質(zhì)提供了離子傳導(dǎo)，決定了工作電壓。電極材料、孔徑、成本逡逑和各種其它參數(shù)選擇是決定電解液的依據(jù)。而隔膜是一種充當(dāng)阻礙的來防止電極逡逑間發(fā)生電接觸或電子接觸膜。然而，離子卻可以更容易的通過并且移動。該隔膜逡逑主要是多孔材料，在電解質(zhì)中具有最小的電阻和高電子絕緣性和好的離子轉(zhuǎn)移。逡逑常用的材料有非織造纖維（玻璃，尼龍，聚酯等）纖維素和聚合物Ｈ。對電容器逡逑器件特性有顯著影響的因素有隔膜的厚度、組成和孔徑大小。然后
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM53

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本文編號：2535650