發(fā)布時(shí)間：2020-09-15 15:43

　　 隨著自然科學(xué)的進(jìn)步和能源的短缺,能量的收集與儲(chǔ)存成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。其中,能量的收集和儲(chǔ)存效率至關(guān)重要。在電能儲(chǔ)存方面,超級(jí)電容器因具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命和比電容量而引起了科學(xué)家的廣泛研究。有趣的是,納米級(jí)分層多孔電極材料有利于電解質(zhì)可接觸面積的增加,被用作超級(jí)電容器的電極材料而廣泛研究。但是其缺陷在于能量密度不高,因而,研究復(fù)合型超級(jí)電容器(SSC)來提高能量?jī)?chǔ)存率是商業(yè)化的必然趨勢(shì)。本論文通過水熱法和電化學(xué)方法制備的基于碳基復(fù)合電極材料具有穩(wěn)定性好、催化性能優(yōu)良和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),在聚乙烯醇(PVA)準(zhǔn)固態(tài)凝膠電解質(zhì)組裝的超級(jí)電容器器件中表現(xiàn)出優(yōu)良的電容穩(wěn)定性,并顯著改善其電壓窗口和綜合電化學(xué)性能。本論文的具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)通過水熱方法制備了MoS_2納米片多壁碳納米管(MS|MWCNT)復(fù)合材料。通過改變MWCNTs的加入量(0 mg、18 mg、36 mg和72 mg)來探究最佳的MWCNTs摻雜量。通過SEM形貌測(cè)試、Raman特征光譜和XRD結(jié)構(gòu)表征表明,MoS_2納米片被成功合成,而且較好地負(fù)載于MWCNTs的表面及末端的活性位點(diǎn)上。當(dāng)MWCNTs的加入量為36 mg時(shí),所制備的硫化鉬和碳納米管復(fù)合材料(MS|MWCNT)具有相對(duì)更好的電容性能,MWCNTs的有序度也有所增加。在1 A/g下,其比電容可達(dá)255.8 F/g,經(jīng)過1000周循環(huán),MS|MWCNT展現(xiàn)了卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(91.36%容量保持率)。其優(yōu)異的電容性能歸因于MWCNTs骨架的優(yōu)良導(dǎo)電性,以及MoS_2的良好離子傳導(dǎo)率。以MS|MWCNT為電極,以中性PVA-Na_2SO_4凝膠電解質(zhì)制備對(duì)稱型超級(jí)電容器表現(xiàn)出更低的溶液內(nèi)阻(R_s)和電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻(R_(ct))。(2)通過原位化學(xué)聚合法制備了PANI|MWCNTs復(fù)合電極材料。形貌測(cè)試和物相表征表明,聚苯胺被成功地合成,而且較好地沉積在MWCNTs上。我們通過改變聚合反應(yīng)時(shí)間(2 h、4 h、6h、8 h、10 h)來探究較好的聚合方案。當(dāng)聚合反應(yīng)時(shí)間為8 h時(shí),所制備的復(fù)合電極材料(PM.t8)的電容特性相對(duì)更好。在1 A/g條件下,其比電容為331.52 F/g,經(jīng)過1000周循環(huán),PM.t8展現(xiàn)了卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(97.94%的容量保持率)。以PVA-Na_2SO_4凝膠電解質(zhì)為媒介,分別以PANI|MWCNTs和MS|MWCNT復(fù)合材料制備對(duì)稱型超級(jí)電容器(PM//PM SSC)和非對(duì)稱超級(jí)電容器(PM//MM ASC)。在0.7 V的電壓窗口下,PM//MM ASC的比電容量為45.56 F/g;而當(dāng)電壓窗口增加到1.5 V時(shí),其比電容可達(dá)94.31 F/g。并且,在243.62 W/kg的功率密度下,PM//PM SSC表現(xiàn)出3.78 Wh/kg的能量密度,而MM//PM ASC在233.33 W/kg的功率密度下表現(xiàn)出25.67Wh/kg的能量密度。對(duì)比表明,在提高能量密度方面ASC具有更大電壓窗口。(3)通過電化學(xué)聚合法制備了碳纖維和聚苯胺(CF|PANI)復(fù)合材料。拉曼測(cè)試結(jié)果表明,PANI被成功地合成,而且較好地覆蓋到了CF上。我們通過改變電化學(xué)沉積的周期(200、300、400和500周)來探究較好的電沉積周期(時(shí)間)。當(dāng)電沉積周期為300周時(shí),在1 A/g條件下,所制備的CF|PANI電極材料有較好的比電容量為231.63F/g和較高倍率性能(從0.5 A/g到20 A/g,有98.14%的保持率),以及卓越的循環(huán)穩(wěn)定性(1000周期后,僅有0.96%的容量損失)。這是因?yàn)闆]有粘結(jié)劑的加入,其內(nèi)阻有明顯的下降。所以,在較大的電流密度下,其較高工作電位和良好贗電容性能得以保持。并且,這種方式更有助于離子在電極表面和體相中擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移�；贑F|PANI電極材料制備的對(duì)稱型超級(jí)電容器(CP//CP SSC)以酸性PVA-H_2SO_4凝膠電解質(zhì)為媒介,基于MS|MWCNT和CF|PANI電極材料制備的非對(duì)稱超級(jí)電容器(MM//CP ASC)以中性PVA-Na_2SO_4凝膠電解質(zhì)為媒介。在564.37 W/kg的功率密度下,CP//CP SSC表現(xiàn)出6.55 Wh/kg的能量密度,而MM//CP ASC在525.03 W/kg功率密度下,有高達(dá)16.12 Wh/kg的能量密度。這一結(jié)果表明較低的內(nèi)阻有助于SSC和ASC在大電流密度及大功率密度下?lián)碛懈叩哪芰棵芏?對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用有重大的意義。
【學(xué)位單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB33;TM53
【部分圖文】：

（a）為二硫化鉬納米球；（b）為二硫化鉬納米球放大圖；（c）為二硫化鉬和碳納米管復(fù)合；（d）為二硫化鉬和碳納米管復(fù)合放大圖

圖 4-1 PANI|MWCNTs 復(fù)合電極材料的 SEM 圖a）展現(xiàn)了 MWCNTs、PM.t8 和 PANI 電極材料的拉曼特征峰。其中峰分別在 1580 cm-1（G 帶）處有一個(gè)很強(qiáng)的波段，即拉曼允許 1355 cm-1（D 帶）處有一個(gè)無(wú)序誘導(dǎo)峰，這可能是因管端的缺

a）和（b）分別為 CF 和經(jīng)電化學(xué)活化和乙醇清洗后的 CF 的光學(xué)圖；（c）和（3 及其外覆 PVA-H2SO4的光學(xué)圖；（e）、（f）和（g）分別為預(yù)處理的 CF 束分別和 100000 倍放大倍數(shù)下的 SEM 圖；（h）、（i）和（j）分別為 CF|PANI3 分別10000、和 100000 倍放大倍數(shù)下的 SEM 圖 5-2（a）顯示了 CF 和 CF|PANI3 電極材料的拉曼光譜圖。其中，CF 的石墨材料的 D 帶和 G 帶，分別在 1350 和 1580 cm-1附近，其中 D/G 的相對(duì)較大（大概為 1），表明預(yù)處理后的 CF 的缺陷密度較大[20]。這材料 PANI 負(fù)載于其上。CF|PANI3 的拉曼圖表明，其特征峰在 1161、125 1583 cm-1附近[27]。其中 1583 cm-1附近的峰是由苯環(huán)型拉伸振動(dòng)和聚C 拉伸式引起；1481 cm-1附近的峰被加強(qiáng)，而且在苯胺鹽光譜中每個(gè)譜側(cè)會(huì)出現(xiàn)這些新譜帶（在聚苯胺光譜中，經(jīng)常出現(xiàn)一些強(qiáng)度較低的譜帶程度的不同，C-C 拉伸振動(dòng)的波數(shù)也會(huì)隨之在原有的波數(shù)附近發(fā)生相應(yīng) CF|PANI3 的拉曼峰中，CF 的特征峰依稀可見。這一結(jié)果表明分層納米

【參考文獻(xiàn)】

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1 江念;鎳基復(fù)合材料制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2018年

2 劉現(xiàn)青;基于過渡金屬的染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極研究[D];河南大學(xué);2018年

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本文編號(hào)：2819155