超級電容器(SC),又名電化學(xué)電容器,是當前新式儲能器件。相比以堿錳、銀鋅等為代表的一次性電池和以鎳鎘、鎳氫、高鐵、鋰離子等為代表的二次電池,SC因為具有更高的功率密度、更快速的充放電速率、更長的使用壽命、更高的安全性等優(yōu)勢,所以在諸多領(lǐng)域,例如電動汽車、航空航天、信息技術(shù)、便攜可穿戴電子器件等,有著廣闊的應(yīng)用前景。但是,SC在這些應(yīng)用中仍然存在很多實際問題:器件制備成本高,批量化生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用困難;器件容易受到機械變形和損傷,導(dǎo)致穩(wěn)定性不夠好,壽命不夠長;在一些實際應(yīng)用領(lǐng)域,器件電極活性材料載量低,不能滿足高能量和高功率需求;器件功能單一,不能滿足豐富多彩的生活需求,不能與時代的發(fā)展同步。針對這幾個問題我們從以下幾個方向開展研究:第一,探索廉價的噴墨打印和網(wǎng)版印刷技術(shù)制備SC;第二,研制具有可拉伸和自修復(fù)功能的SC;第三,研制其它功能(如光探測)集成的垂直叉指非對稱超級電容器(VFASC)。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.開發(fā)出高度分散的銀-多壁碳納米管(Ag-MWCNT)和二氧化錳(MnO_2)-Ag-MWCNT墨水,并優(yōu)化出最佳的墨水濃度。采用噴墨打印技術(shù)制備出Ag-MWCNT導(dǎo)電模塊和MnO_2-Ag-MWCNT正極。最終,成功組裝出非對稱超級電容器(ASC)。測試表明:噴墨打印50次后,導(dǎo)電模塊方阻小于300Ω/sq,并且彎曲穩(wěn)定性好;正極展現(xiàn)出高的體積比電容(30.5 F/cm~3)和低的ESR(8.1Ω);組裝成的ASC窗口電壓高達1.8 V,能量密度高達1.28 mWh/cm~3(功率密度為96 mW/cm~3),在3000次充放電循環(huán)后的電容保存高達96.9%。2.開發(fā)出粘度適合的碳、MnO_2-MWCNT和三氧化鉬(MoO_3)-MWCNT油墨。采用網(wǎng)版印刷技術(shù)制備出柔性導(dǎo)電碳電極、MnO_2-MWCNT正極和MoO_3-MWCNT負極。最終,成功組裝出ASC。測試表明:柔性導(dǎo)電電極導(dǎo)電和彎曲性能好;正極體積比電容高達81.7 F/cm~3(掃速為1mV/s),能量密度高達4.81 mWh/cm~3(功率密度為228.4 mW/cm~3);負極體積比電容高達49.5 F/cm~3(掃速為2 mV/s),能量密度高達4.89 mWh/cm~3(功率密度為262.3 mW/cm~3);組裝成的ASC窗口電壓高達1.7 V,能量密度高達11.04 mWh/cm~3(功率密度為614.6 mW/cm~3),在5000次充放電循環(huán)后的電容保存高達91.3%。3.研制出本征可拉伸的聚吡咯(PPy)-還原氧化石墨烯(RGO)-MWCNT纖維彈簧。采用自修復(fù)聚氨酯作為保護殼,組裝出可拉伸和自修復(fù)的纖維SC。器件展示出優(yōu)良的拉伸和自修復(fù)性能:拉伸100%,電容保存為82.4%;自修復(fù)3次,電容保存為54.2%;3000次充放電循環(huán)后,修復(fù)后的器件電容僅下降16%;修復(fù)后的器件驅(qū)動鈣鈦礦納米線光探測器,探測器性能沒有明顯衰減。通過同時賦予SC拉伸和自修復(fù)功能,可以有效地緩沖外界帶來的機械應(yīng)變和自愈受到的損傷,提高SC的可行性、穩(wěn)定性和壽命。4.設(shè)計并實現(xiàn)了內(nèi)部集成光探測功能的VFASC。VFASC相比傳統(tǒng)平面SC具有以下優(yōu)勢:更小層間距和更低離子傳輸阻抗;更大接觸面積,以便充分利用活性材料;內(nèi)部集成光探測系統(tǒng)。VFASC的電極載量增加至初始的5倍時,器件比電容增加了44%。本研究為高負載和高性能SC的研制提供了很好的思路。VFASC負極材料采用光電性能較好的MoO_3納米線,因此不需要外部連接系統(tǒng),器件就具有光探測的功能,這樣大大節(jié)省了能源和空間,簡化了集成器件的結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM53
【部分圖文】：

因此強烈地依賴于電解質(zhì)和電極容，其電容依靠電極表面發(fā)生的快速且可逆的氧化還原反應(yīng)和無相變型離子快速嵌入與脫嵌能機理，即一極（傳統(tǒng)的電池電極）通過電化雙電層材料）則通過雙電層來儲存能量。容器的工作機理主要靠電極與電解液界面間可逆的純靜電荷積穩(wěn)定性和功率密度。整個器件由正負電極（包離子和陰離子混合溶液）以及為了防止短路而夾示意圖如圖 1.1 所示。當施加外加電壓時，陽離，這樣在這兩個平行的區(qū)域產(chǎn)生了雙電層。雙容器。這些電容器在開路時保持充電狀態(tài)[35]。

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 dACr0εε= 雙電層內(nèi)部介電常數(shù)，0ε 為真空介電常數(shù)， A為電此可見，雙電層電容與有效接觸面積（電解質(zhì)和電成正比和反比。雙電層的厚度一般在納米量級，因得多。ltz 模型過于簡單，與很多實際情況相矛盾。考慮到電中連續(xù)分布（陰陽離子在熱驅(qū)動下不可能完全緊貼在提出分散層理論。如圖 1.2（b）所示，靠近電極表面隨著與電極表面距離增加，帶相反電荷的離子濃度連續(xù)狀態(tài)，形成一個擴散層。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論n 層又可以細分為內(nèi)和外 Helmholtz 平面，即 IHP 和 OHP離子和帶相反電荷非特定吸附的離子組成，分布于 IHP分布于 OHP 上是非特定吸附的離子。因此，雙電層電容HC 和擴散層電容diffC 串聯(lián)而成，三者關(guān)系如公式 1-2 所dlHdiffCCC111= +的儲能機理模型可知，雙電層電容器電容主要由電極材與孔徑、電極材料的潤濕性、電解液種類等決定。因此 就應(yīng)該選擇合適的電極材料，增加電極材料的表面積，增性，選擇匹配的電解質(zhì)等。
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

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本文編號：2891823