超級電容器作為連接傳統(tǒng)介電電容器和電池的儲能器件,以其高功率密度和長循環(huán)壽命備受關注。然而,與鋰電池等相比,相對較低的能量密度限制著其進一步應用。電極材料作為超級電容器的核心組件,其電容性能的提升將有助于超級電容器能量密度的提高。諸多策略已被應用于提升電極材料電容性能,但仍受制于電極材料缺乏連續(xù)的電子傳遞網絡和離子擴散通道,以及電極材料與電解質接觸不充分等問題,使得實際比電容與其理論值仍有較大差距。導電聚合物凝膠具有三維網絡結構,可以與電解質實現(xiàn)在分子層次上的接觸,因此在改善電極材料/電解質固液界面,構筑連續(xù)電子/離子傳輸路徑等方面具有顯著優(yōu)勢。本文從電極材料的結構設計出發(fā),首先展示了如何借助導電聚合物凝膠獨特的固液界面和三維連續(xù)網絡結構,賦予電極材料快速的電子傳遞和離子傳輸能力,提升電極材料的電容性能;進一步,提出導電聚合物凝膠的新型制備路線,制備出具有優(yōu)異儲能能力的自支撐導電聚合物凝膠,以提升導電聚合物凝膠本身作為電極材料的電化學性能,并促進在其他電極材料性能提升的進一步應用。具體研究內容與結果如下:（1）在α-Fe₂O₃和苯胺/植酸的均... 

【文章來源】：江南大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

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(a)不同電化學儲能系統(tǒng)的能量和功率密度對比圖[10]；(b)不同電極材料的比電容值[22]；(c)非對稱超級電容器示意圖(由兩個具有不同電壓窗口的電極組成：電池類正極和電容類負極)[23]；(d)不同電極材料的電壓窗口[22]

第一章緒論5與電極材料間的接觸電阻盡可能�。�(ii)穩(wěn)定性：不能與電解質、電極材料、導電劑、粘結劑等發(fā)生反應。此外，集流體的形貌對于超級電容器的性能也具有重要影響[31,32]。例如，具有納米孔結構的集流體可以極大地提升離子擴散速率，增大電極材料可與之接觸的比表面，進而增強超級電容器的儲能能力[11,32]。目前常用的集流體有銅箔、鋁箔、鈦箔、不銹鋼、泡沫鎳、碳紙、碳布等。此外，目前報道的可作為電極材料的部分三維導電網絡也可直接作為集流體，進一步提升超級電容器的性能。簡言之，隨著電極研究的深入，電極材料、導電劑、粘結劑和集流體間的界限變得越來越模糊，導電劑、粘結劑、集流體等非活性組分均被賦予電極材料的功能或被電極材料所取代，從而進一步提高電極的儲能能力，促進器件的集成化、便攜化。圖1-3(a)超級電容器基本結構示意圖[21]；(b)隨機分散的導電劑示意圖[24]；(c)電極材料團聚體中電子傳遞阻斷示意圖[25]；(d)電極材料與導電子組分的緊密結合[24]；(e)均勻負載電極材料的三維導電網絡[33]；(f)電化學循環(huán)后的電極結構[34]Figure1-3(a)Structuraldiagramofatypicalsupercapacitordevice[21].(b)Traditionalelectrodesrelyonarandomarrangementofcontactsandmayresultinpartsofelectrodesnotbeingaccessible[24].(c)Theimpededelectrontransferinmicrometer-sizedagglomerates[25].(d)Intimate“wiring”oftheactiveelectrodeparticleswiththeelectronicconductingcomponent[24].(e)Theuniformloadingofactiveelectrodematerialsonto3Dconductiveframework[33].(f)Thedestructionofelectrodeintegrityuponelectrochemicalcycling[34].cdefab

第一章緒論7圖1-4(a)電解質對超級電容器性能的影響[14]；(b)電解質的分類[14]；(c)可拉伸/可壓縮超級電容器[35]；(d)熱保護功能超級電容器[36]；(e)自修復超級電容器[37]Figure1-4(a)Effectsoftheelectrolyteonsupercapacitorperformance[14].(b)Classificationofelectrolytesforsupercapacitor[14].(c)Schematicofanintrinsicallystretchablesupercapacitorandacompressiblesupercapacitor[35].(d)Demonstrationofthermalself-protectionofthesupercapacitorusingPluronicsolutionbasedelectrolyte:thelightintensityoftheLEDbulbdecreasedsignificantlyuponheatingthedeviceto70°C[36].(e)Demonstrationofself-healabilityofthesupercapacitor[37].1.2.2超級電容器的儲能機理超級電容器的儲能機理與傳統(tǒng)的介電電容器不同。傳統(tǒng)的介電電容器是通過介電材料在電場的作用下發(fā)生物理極化來儲能的，而超級電容器是利用電解質中的陰陽離子在電極材料表面可逆吸附形成雙電層，或在電極材料表面/近表面發(fā)生快速、可逆的法拉第氧化還原反應來進行儲能：即雙電層電容儲能機理和贗電容儲能機理(圖1-5a)[10,42]。贗電容通常表現(xiàn)出比雙電層電容更高的容量(圖1-5b，300-1000Fg-1vs.100-250Fg-1)。因此，贗電容電極材料在制備具有高能量密度的超級電容器上具有天然的優(yōu)勢。但受限于法拉第氧化還原反應中的電荷轉移/離子遷移速度，贗電容電極材料組裝制得的超級電容bcdea

【參考文獻】：
期刊論文
[1]超級電容器隔膜及其研究進展[J]. 林曠野,劉文,陳雪峰.  中國造紙. 2018(12)
[2]Core-shell nanostructure of single-wall carbon nanotubes and covalent organic frameworks for supercapacitors[J]. Yang Han,Qin Zhang,Nantao Hu,Xue Zhang,Yiyong Mai,Jiaqiang Liu,Xiaolin Hua,Hao Wei.  Chinese Chemical Letters. 2017(12)
[3]Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors:from rational synthesis to capacitance optimization[J]. Jie Wang,Shengyang Dong,Bing Ding,Ya Wang,Xiaodong Hao,Hui Dou,Yongyao Xia,Xiaogang Zhang.  National Science Review. 2017(01)
[4]基于導電聚合物水凝膠材料的高性能柔性固態(tài)超級電容器（英文）[J]. 王凱,張熊,孫現(xiàn)眾,馬衍偉.  Science China Materials. 2016(06)
[5]新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術研究綜述[J]. 叢晶,宋坤,魯海威,高曉峰,肖白.  電工電能新技術. 2014(03)
[6]儲能技術在電力系統(tǒng)中的研究進展[J]. 駱妮,李建林.  電網與清潔能源. 2012(02)

博士論文
[1]新型摻雜多孔碳材料的合成、調控及其電化學性能[D]. 馮小童.蘭州大學 2019
[2]高性能氮化釩基納米電極材料的設計及儲能性能研究[D]. 李慶偉.華中科技大學 2018
[3]多孔電極材料的構筑及其在超級電容器中的研究與應用[D]. 胡晨晨.華中科技大學 2017
[4]電化學聚合制備基于導電聚合物的高能量密度超級電容器電極與器件[D]. 張環(huán)環(huán).吉林大學 2017
[5]過渡金屬氧化物的結構設計與改性及其贗電容儲能特性研究[D]. 肖旭.華中科技大學 2016
[6]二維共價有機框架結構的合成和性能研究[D]. 陳龍.北京理工大學 2015



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