碳基電極材料因其比表面積大,導(dǎo)電性好,比容量高等優(yōu)勢,已被廣泛用于超級電容器。盡管碳基超級電容器具有諸多優(yōu)點,但相對低的體積能量密度嚴重阻礙了碳基超級電容器在微型化領(lǐng)域的應(yīng)用,因此,開發(fā)高體積性能（體積能量密度和體積功率密度）的碳基超級電容器是當前急需解決的問題。對于碳基電極材料,從結(jié)構(gòu)入手,開發(fā)三維致密多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是提升器件體積性能的有效策略。同時,考慮到孔結(jié)構(gòu)與離子傳輸相關(guān),密度決定電極材料的體積性能。因此,平衡碳材料的孔結(jié)構(gòu)和密度,建立多孔碳電極模型,指導(dǎo)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,也是提升器件體積性能的必經(jīng)之路�；诖�,本論文圍繞石墨烯的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控,采用毛細蒸發(fā)干燥技術(shù)獲得三維致密石墨烯水凝膠電極材料,分別構(gòu)筑了兩種高體積性能的儲能器件;此外,采用ZnCl₂化學(xué)活化法調(diào)控了活性炭的孔結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究孔結(jié)構(gòu)與電容性能之間的構(gòu)效關(guān)系,揭示多孔活性炭電極中離子的傳輸機制,通過多孔碳結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建,獲得體積性能最優(yōu)的孔徑分布。具體研究內(nèi)容如下:1.采用毛細蒸發(fā)干燥技術(shù)制備了三維致密石墨烯水凝膠電極材料,通過退火處理改變材料的含氧官能團,提升其電導(dǎo)率。獲得的電極材料密度高(1.2... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：90 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同儲能裝置的Ragone圖[8]

構(gòu)建的贗電容器都具有比EDLCs更大的比容量（在相同比表面積情況下，贗電容的電容值是雙電層電容的10~100倍）和能量密度。但相比于EDLCs，贗電容器儲能涉及到離子在體相中的嵌入/脫出，因此在充放電循環(huán)過程中，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差[32-34]。（3）混合電容器混合電容器，又稱雜化電容器，這是一種結(jié)合了EDLCs和電池兩者優(yōu)點的新型儲能器件，也是目前超級電容器領(lǐng)域的研究熱點之一。通常，混合電容器一極采用傳統(tǒng)的電池型電極材料，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)來儲存能量，另一極則采用雙電層電極材料或贗電容電極材料來儲存能量，如圖1.2c所示[20]�；旌想娙萜鞑粌H擁有電池型電極材料高的能量密度，同時還擁有更高的工作電壓窗口。這種混合裝置類似于一個可充電電池兼具較高的功率密度和循環(huán)壽命，亦可以說是一種具有較高能量密度的超級電容器，性能介于超級電容器和電池之間，推動了儲能領(lǐng)域的進一步發(fā)展，是目前超級電容器研究領(lǐng)域的一大熱點，主要已開發(fā)或研究的混合電容器有鋰離子混合電容器、鈉離子混合電容器、鋅離子混合電容器等[7,35]。圖1.2超級電容器儲能機理示意圖：(a)雙電層電容器；(b)贗電容電容器；(c)混合超級電容器[20]。1.2.2超級電容器的特點及應(yīng)用超級電容器作為一種新型儲能器件，兼具傳統(tǒng)電容器和電池的優(yōu)點，如功率密度高、穩(wěn)定性好和安全性能高等�；谶@些優(yōu)點，超級電容器被廣泛使用在便攜式電子設(shè)備、新能源電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。以下分別介紹了超級電容器的特點和應(yīng)用。（1）超級電容器的特點

碩士學(xué)位論文9可以看出，超級電容器的能量密度與其比容量和工作電壓的平方成正比。因此，提升超級電容器能量密度的策略有三種：（1）開發(fā)高容量的電極材料或?qū)ΜF(xiàn)有電極材料的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計來提升電極材料的比容量；（2）開發(fā)具有高的穩(wěn)定電壓窗口的安全電解液，或構(gòu)筑非對稱電容器，從而拓寬超級電容器的電壓窗口；（3）將超級電容器與二次電池進行“內(nèi)部交叉”構(gòu)筑兼具高能量密度和高功率密度的金屬離子混合電容器，如圖1.3所示。圖1.3提高電化學(xué)電容器能量密度的途徑。1.4.1高容量碳基電極材料的制備（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計要實現(xiàn)高容量的碳基電極材料，對碳材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤為重要。實驗表明，相比于單一孔結(jié)構(gòu)的碳材料來說，具有分級多孔結(jié)構(gòu)的碳材料能夠兼具高容量和高倍率。分級多孔結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在大孔作為容納電解液的容器，中孔促進離子轉(zhuǎn)移，而微孔則主導(dǎo)離子的吸附儲能實現(xiàn)能量存儲[68]。目前分級多孔結(jié)構(gòu)的碳材料性能優(yōu)異，例如，吳丁財?shù)热颂岢隽艘幌盗兄苽涓弑缺砻娣e、分級孔結(jié)構(gòu)多孔碳材料的新策略[69-71]。Gogotsi等人開發(fā)了一種炭化物衍生炭，這種碳包含微孔、中孔和大孔結(jié)構(gòu)，具有極高的比表面積，展現(xiàn)出巨大的儲能潛力[72]。此外，通過設(shè)計孔結(jié)構(gòu)使碳材料致密化，實現(xiàn)高體積能量密度也是一種十分有效的方法。例如，楊全紅課題組首次提出了一種基于石墨烯的新型宏觀塊材（如圖1.4），它可以平衡高孔隙率和高體積容量這兩種相反的特征。該材料孔結(jié)構(gòu)豐富（比表面積為370m2g-1）以及密度高（為1.58gcm-3），因此是實現(xiàn)高體積能量密度的潛在理想電極材料。通過在KOH體系中組裝對稱器件，得到的體積比容量高達376Fcm-3，這是所報道的水系電解液中碳材料的最高值。用水系電解液構(gòu)造的器件的最大體積能量密度為13.1WhL-1[73]。隨后，

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai.  National Science Review. 2017(03)

碩士論文
[1]超級電容器電極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D]. 農(nóng)谷珍.大連理工大學(xué) 2009



本文編號：3213711