隨著便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車的快速發(fā)展,對高性能儲能設(shè)備的需求越來越迫切�，F(xiàn)有的儲能系統(tǒng)往往存在一些不足,比如超級電容器能量密度低、鋅離子電池可逆性循環(huán)差、液流電池成本高等等。研究者們想要通過設(shè)計合理的電解液來改善以上各類儲能器件的缺陷。其中,高濃鹽作為電解液表現(xiàn)出本質(zhì)安全、較寬的電壓窗口,因此受到了人們越來越多的關(guān)注。本論文中,針對不同器件在儲能機(jī)制和選擇電解液方面的問題,我們設(shè)計了不同種類的高濃度水系電解液,并將其應(yīng)用于高性能超級電容器、鋅離子混合電容器以及鋅溴電池中。具體研究內(nèi)容如下:（1）設(shè)計了一種低成本water-in-salt硝酸鈉電解液,用拉曼光譜分析和分子動力學(xué)模擬研究了不同濃度溶液中離子的溶劑化結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試表明:構(gòu)造的對稱超級電容器可以在0-2.1 V的寬工作電壓內(nèi)正常工作,在1 A g^-1處顯示出32.68 F g^-1的高比電容。此外,將其與已報道的水系高濃度電解液進(jìn)行比較表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和出色的循環(huán)穩(wěn)定性。證實(shí)該電解液具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、低粘度、高電導(dǎo)率和低成本,是一種可用于高性能和超穩(wěn)定的超級電容器的理想w... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電化學(xué)儲能裝置廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[6]

電極材料中的遷移速率很慢，故導(dǎo)致功率密度又很低（<350Wkg-1）；而且它會在電兩電極之間反復(fù)脫出和嵌入，這樣就使得電池循環(huán)壽命也很差（<1000圈）[9]。相比較而言，超級電容器依靠電解液中的離子直接在電極表面進(jìn)行快速的離子吸脫附形成雙電層電容或發(fā)生表面氧化還原反應(yīng)而存儲電荷，因此具有功率密度高、循環(huán)壽命長的特點(diǎn)[10]。于是，在不犧牲其功率密度和長循環(huán)穩(wěn)定性的情況下又能實(shí)現(xiàn)電池的能量存儲能力，研究者們就將金屬電池和超級電容器的儲能機(jī)理有效地結(jié)合起來，提出了一種新型儲能器件---金屬離子混合電容器。圖1.2不同類型電力存儲系統(tǒng)的功率密度和能量密度[11]綜上所述，電化學(xué)儲能設(shè)備（例如電池，燃料電池/液流電池和電化學(xué)電容器）因其可擴(kuò)展性和多功能性而成為未來的有效，安全和可靠的電力存儲技術(shù)。它們的功率和能量密度特性如圖1.2所示。電容器具有很高的功率密度，很低的能量密度和亞秒級的響應(yīng)時間，更適合于電能質(zhì)量管理。電池和液流電池/燃料電池具有大規(guī)模電能存儲所需的能量密度。無論是哪一種器件，如果從它們的主要構(gòu)成部件出發(fā)，電解液作為正負(fù)兩電極之間傳導(dǎo)離子的主要來源，對決定整個器件的穩(wěn)定電壓窗口以及主要的電化學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用[12]。根據(jù)研究者們所使用的電解液不同，大致可將其分為水系和非水系兩大類別。相比于非水系

工程碩士學(xué)位論文5圖1.3電解質(zhì)中氧化還原電對的法拉第電荷存儲過程和常見的氧化還原電對發(fā)生反應(yīng)的電位那么基于以上三個方向，如何通過降低電解液中水的活性就成為電化學(xué)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中的一項(xiàng)科學(xué)挑戰(zhàn)。后兩個策略這也是本人碩士階段研究所涉及的重點(diǎn)課題。1.3高濃度電解液及其衍生電解液的概述上文提到的傳統(tǒng)有機(jī)電解液、離子液體以及凝膠電解質(zhì)等這些電解液的缺點(diǎn)或多或少地阻礙了下一代電池朝著更高的能量密度方向發(fā)展，同時還要滿足更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，以用于混合動力汽車、智能電網(wǎng)、國防軍事等各大領(lǐng)域[33,34]。因此，除了傳統(tǒng)的鋰離子電解液，全世界電化學(xué)領(lǐng)域都在致力于探索出新型電解液來實(shí)現(xiàn)高性能儲能器件的要求。其中，高濃度水系電解液作為一種安全、高壓的新興電解液受到人們越來越多的關(guān)注。增加電解液中鹽的濃度會增強(qiáng)陽離子和陰離子/溶劑之間的相互作用力，同時降低自由態(tài)溶劑分子的含量。當(dāng)超過一個閾值（通常是>3-5M），游離溶劑分子會基本消失，形成一種具有特殊三維（3D）溶液結(jié)構(gòu)的新型電解質(zhì)，稱其為高濃度電解質(zhì)[35-37]。這種濃縮電解質(zhì)具有與傳統(tǒng)的稀電解質(zhì)截然不同的物理化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。1.3.1Water-in-salt電解液的研究進(jìn)展2015年，Suo等人首次報道了21m（m為mol/kg）雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺鋰（LiTFSI）水溶液，其中LiTFSI無論是在質(zhì)量還是體積上都大于H2O[38]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于三維多孔活性炭構(gòu)筑安全、高性能以及長循環(huán)壽命的鋅離子混合電容器[J]. 趙攀,楊兵軍,陳江濤,郎俊偉,張?zhí)焓|,閻興斌.  物理化學(xué)學(xué)報. 2020(02)
[2]活性炭基軟包裝超級電容器用有機(jī)電解液[J]. 黃博,孫現(xiàn)眾,張熊,張大成,馬衍偉.  物理化學(xué)學(xué)報. 2013(09)



本文編號：3542198