隨著能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇,人們對(duì)可持續(xù)、可再生新能源的需求日益強(qiáng)烈。超級(jí)電容器作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,以其高功率密度、長(zhǎng)周期穩(wěn)定性、快速充放電能力、環(huán)境友好性和安全性等優(yōu)點(diǎn),成為目前研究的熱點(diǎn)。電極材料作為超級(jí)電容器的重要組成部分,其性能的好壞對(duì)超級(jí)電容器的整體性能起決定性作用。目前,組裝成超級(jí)電容器的電極材料主要有碳基電極材料、導(dǎo)電聚合物電極材料和金屬氧化物/氫氧化物電極材料三大類。雖然金屬氧化物/氫氧化物電極材料與碳基電極材料相比擁有更高的理論比電容和功率密度、較導(dǎo)電聚合物電極材料有更高的穩(wěn)定性,但是其相對(duì)較低的實(shí)際比電容和導(dǎo)電性問(wèn)題,卻限制了它的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文以泡沫銅為基底,直接原位生長(zhǎng)金屬氧化物/氫氧化物電極材料,利用泡沫銅多孔結(jié)構(gòu)比表面積大以及原位生長(zhǎng)產(chǎn)物接觸電阻較低的優(yōu)勢(shì),并進(jìn)一步在泡沫銅與金屬氧化物/氫氧化物之間引入具有高電子遷移率的氧化鋅層,構(gòu)建分等級(jí)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)在降低等效串聯(lián)電阻、提高金屬氧化物/氫氧化物電極材料固有的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的同時(shí),提高其實(shí)際比電容。除了引入氧化鋅層之外,也嘗試了以泡沫銅自發(fā)源為基底,構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu),來(lái)提升氫氧化物電極材料的電化學(xué)性能。具體工作包括以下內(nèi)容:(1)為了降低電極材料等效串聯(lián)內(nèi)阻,提高其電化學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)通過(guò)水熱法直接在泡沫銅基底上原位生長(zhǎng)了具有書籍狀微結(jié)構(gòu)Co_3O_4電極材料,并研究其電化學(xué)性能。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)電流密度為2 mA cm~(-2)時(shí),書籍狀Co_3O_4電極材料的比電容為554.70 mF cm~(-2)(504.27 F g~(-1));電流密度增大15倍時(shí)倍率性能為81.6%;等效串聯(lián)內(nèi)阻為0.89Ωcm~(-2);經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)充放電后,比電容維持初始電容的78%�？梢�(jiàn),在三維網(wǎng)絡(luò)基底上原位生長(zhǎng)Co_3O_4電極材料,并控制表面形貌,在一定程度上可以達(dá)到降低等效串聯(lián)內(nèi)阻、提高倍率性能的目的。(2)ZnO擁有良好的電子傳輸能力、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。在Co_3O_4電極材料與泡沫銅基底之間生長(zhǎng)ZnO層,其優(yōu)秀的電子傳輸能力有可能降低電極材料整體串聯(lián)內(nèi)阻,提高循環(huán)穩(wěn)定性。因此實(shí)驗(yàn)以泡沫銅作為基底,一步水熱法合成了分等級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO@Co_3O_4電極材料,對(duì)合成及儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行探討,并研究其電化學(xué)性能。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,這種具有分等級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO@Co_3O_4電極材料在電流密度2 mA cm~(-2)下,具有1.5345 F cm~(-2)的比電容,電流密度增大10倍時(shí)比電容維持初始電容的75.8%。等效串聯(lián)內(nèi)阻僅為0.83Ωcm~(-2),5000次循環(huán)壽命測(cè)試后其比電容維持初始電容的92%。將其組裝成非對(duì)稱超級(jí)電容器,功率密度為8.085 W cm~(-3)時(shí)能量密度為0.6958 W h cm~(-3),經(jīng)過(guò)3000個(gè)循環(huán)壽命測(cè)試后,仍能維持初始電容的96%。上述結(jié)果表明,通過(guò)引入ZnO層構(gòu)建分等級(jí)結(jié)構(gòu),可以降低Co_3O_4電極材料的等效串聯(lián)內(nèi)阻,提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和比電容,獲得性能優(yōu)異的超級(jí)電容器電極材料。(3)為了改善Ni(OH)_2電極材料導(dǎo)電性差的問(wèn)題,提升其整體電化學(xué)性能,實(shí)驗(yàn)以泡沫銅作為基底,并引入ZnO層,構(gòu)建分等級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO@Ni(OH)_2超級(jí)電容器電極材料,對(duì)合成及儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行探討,并研究其電化學(xué)性能。首先通過(guò)水熱法在泡沫銅基底上制備出花狀結(jié)構(gòu)的ZnO,然后采用電化學(xué)沉積方法在其表面沉積Ni(OH)_2,使Ni(OH)_2均勻包覆在ZnO表面,最后形成花狀的分等級(jí)結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,泡沫銅基ZnO@Ni(OH)_2電極材料在1 A g~(-1)電流密度下的比電容為3301 F g~(-1)(3.962 F cm~(-2)),電流密度增大20倍時(shí)其比電容保持初始的80%。等效串聯(lián)內(nèi)阻為0.75Ωcm~(-2),5000次循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試其比電容維持初始電容的94%。將泡沫銅基ZnO@Ni(OH)_2電極材料組裝成非對(duì)稱式超級(jí)電容器,當(dāng)功率密度為9.722 W cm~(-3)時(shí),能量密度最大為1.6473 W h cm~(-3)。經(jīng)過(guò)3000個(gè)循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試后,仍能保持初始電容的90%。上述結(jié)果表明,以泡沫銅為基底,并引入高電子遷移率的ZnO層,可以改善Ni(OH)_2電極材料導(dǎo)電性差的問(wèn)題,提高其循環(huán)穩(wěn)定性和實(shí)際比電容。(4)為了改善層狀雙金屬氫氧化物(LDH)超級(jí)電容器電極材料導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性欠佳的問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以泡沫銅為基底和自發(fā)源,通過(guò)兩步法制備核殼結(jié)構(gòu)的CuO@Ni-Fe LDH電極材料,對(duì)合成及儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行探討,并研究其電化學(xué)性能。首先以泡沫銅為自發(fā)源電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備出Cu(OH)_2納米棒陣列,經(jīng)過(guò)高溫處理后生成穩(wěn)定的CuO納米棒陣列,然后以其作為內(nèi)核,電化學(xué)沉積Ni-Fe LDH納米片外殼,獲得CuO@Ni-Fe LDH核殼結(jié)構(gòu)電極材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,CuO@Ni-Fe LDH核殼結(jié)構(gòu)電極材料在2 mV s~(-1)掃速下,比電容為2.682 F cm~(-2)。當(dāng)電流密度為2 mA cm~(-2)時(shí),其庫(kù)倫效率為82.7%,電流密度增大10倍時(shí),其比電容維持初始的72%。等效串聯(lián)內(nèi)阻為1.19Ωcm~(-2),經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)壽命測(cè)試,其比電容維持初始電容的86%。上述結(jié)果表明,以泡沫銅為自發(fā)源制備的CuO@Ni-Fe LDH核殼結(jié)構(gòu)電極材料具有較小的等效串聯(lián)內(nèi)阻,優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,是一種有潛力的超級(jí)電容器電極材料。綜上所述,本文以三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泡沫銅為基底制備出了Co_3O_4、ZnO@Co_3O_4、ZnO@Ni(OH)_2、CuO@Ni-Fe LDH四種分等級(jí)結(jié)構(gòu)超級(jí)電容器電極材料,探討了不同分等級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)這幾種電極材料電化學(xué)性能的影響,為降低金屬氧化物/氫氧化物電極材料等效串聯(lián)內(nèi)阻,提升循環(huán)穩(wěn)定性方面提供了新的想法和思路。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM53
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文等電池裝置擁有更高的功率密度[25, 26]。超級(jí)電容器不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電容器能量密度低的問(wèn)題，同時(shí)也可以彌補(bǔ)鋰電池等電池裝置功率密度低的缺點(diǎn)。這使得超級(jí)電容器的研究成為熱點(diǎn)，引起廣大研究人員的關(guān)注。

圖 1.1 不同能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換裝置功率密度和能量密度對(duì)比圖[20]Fig.1.1 Ragone plot for various electrical energy storage devices.超級(jí)電容器組成及性能分析

第一章 緒論相關(guān)的電子設(shè)備都需要在溫度低至-55℃時(shí)進(jìn)行操作，級(jí)電容器的溫度要求很高。提高超級(jí)電容器的工作溫以擴(kuò)大超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域。容器分類及原理器按照原理可以劃分為三種類型[40-43]：雙電層電容器eudocapacitor）以及由雙電層電容器電極材料和贗電容超級(jí)電容器。電容器（ELDC）容器[44-46]，能量的存儲(chǔ)和釋放機(jī)制是基于電荷在電極學(xué)界面上的聚合與分離，電荷存儲(chǔ)沒(méi)有化學(xué)氧化還原介電電容相似，都是在電極表面發(fā)生極化與去極化反
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本文編號(hào)：2893787