超級電容器由于功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,在混合動力汽車、電網(wǎng)儲能以及國防裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而,與二次電池相比,超級電容器的能量密度要低幾個數(shù)量級,這種儲能特性方面的劣勢限制了其進(jìn)一步發(fā)展。因此,在保持超級電容器固有性能優(yōu)勢的前提下,提高其能量密度具有重要的研究意義。其中,共價有機(jī)框架（Covalent Organic Frameworks,COFs）是一類由輕質(zhì)元素（H、B、C、N、O等）組成的新興多孔聚合物。相比于其它無機(jī)材料,COFs具有高度有序的排列骨架和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。此外,研究者們可以通過改變COFs構(gòu)筑單元實現(xiàn)不同功能COFs材料的設(shè)計。盡管COFs材料表現(xiàn)出了明顯的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,但大部分COFs微觀無定形且固有電導(dǎo)率較低,導(dǎo)致其儲能潛力難以發(fā)揮。鑒于此,通過調(diào)配反應(yīng)溶劑比例并對COFs成核過程施加外力,本論文實現(xiàn)了COFs微觀形貌的精確調(diào)控。與此同時,為了充分發(fā)揮蒽醌基COFs的儲能性能,我們通過兩種合成策略（共價功能化和非共價功能化）將COFs與不同類型的碳基材料（石墨烯和多壁碳納米管）進(jìn)行了結(jié)合。主要內(nèi)容概述如下:（1）COFs的形成主要基于動態(tài)共價可逆反... 

【文章來源】：西北師范大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同儲能器件功率密度和能量密度關(guān)系圖

第1章緒論21.2超級電容器超級電容器是介于二次電池與傳統(tǒng)平行板電容器之間的一種高效、環(huán)保的新型儲能裝置。與電池相比，其充電速度只需要幾秒鐘就可以完成。不僅如此，超級電容器的功率密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電容器，且在相同體積下，其容量遠(yuǎn)大于電解電容器。除此之外，其長循環(huán)壽命和高性能穩(wěn)定性使得超級電容器在新能源汽車等新能源領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，超級電容器主要由外殼、電極材料、集流體、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。十八世紀(jì)荷蘭物理學(xué)家Musschenbroek發(fā)明出電容器，開拓了電容器行業(yè)的發(fā)展。1957年，美國通用電氣公司申請了首個雙電層電容器的專利[20]。直到1975年，Conway發(fā)明出利用氧化釕為電極的贗電容器，提出了“超級電容器”這一概念。經(jīng)過近50年的歷史沉淀，隨著人們對于高功率、節(jié)能環(huán)保、安全可靠的能量存儲裝置需求不斷提高，超級電容器相關(guān)的電極材料和電解質(zhì)的研究不斷取得突破，并得到了社會各界的廣泛認(rèn)可和關(guān)注[21,22]。圖1-2超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-2Schematicdiagramofsupercapacitor1.2.1超級電容器的分類如圖1-3所示，根據(jù)電荷儲存機(jī)理不同，超級電容器可以分為雙電層電容器(electricdoublelayercapacitor,EDLC)、贗電容電容器(pseudocapacitor)。前者電能的存儲通過電荷在材料與電解質(zhì)界面的吸附來實現(xiàn)，后者一般通過過渡金屬氧化物與聚合物表面的可逆氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生贗電容[23-27]。通常來講，贗電容器能夠獲得比雙電層電容器更大的比電容[28]。

第1章緒論3圖1-3電荷存儲機(jī)制的示意圖：(a)雙電層電容電容器，(b)欠電位沉積，(c)氧化還原贗電容器和(d)離子插層贗電容器。Fig.1-3Schematicsofcharge-storagemechanismsfor:(a)anEDLC,(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)intercalationpseudocapacitor.1.2.1.1雙電層電容器如圖1-13所示，雙電層電容器通過電解液與電極材料界面的雙電層來儲能，電解質(zhì)離子可逆地吸附在活性材料上。雙電層的概念始于19世紀(jì)，由德國物理學(xué)家Helmholtz提出：電極浸入離子電解質(zhì)溶液中時，電荷會與溶液中帶相反電荷的離子緊密排列，在界面內(nèi)形成電量相等、電荷相反的正、負(fù)電荷層[29,30]，如圖1-4(a)。由于電極／電解質(zhì)界面處發(fā)生的極化導(dǎo)致電荷分離。在極化條件下，產(chǎn)生雙電層比電容C的計算公式如下[31-34]：C=0/(1)其中，A為電解質(zhì)與電極的接觸面積，代表相對介電常數(shù)，0是真空介電常數(shù)，d代表雙電層的有效厚度，通常近似為Debye距離。考慮到帶電粒子受到擴(kuò)散力與靜電力的影響，吸附在雙電層上的電荷將通過熱運動離開凝聚層。Gouy[35]和Ghapamn[36]提出了以此為基礎(chǔ)的雙電層模型，如圖1-4(b)所示。隨著認(rèn)識的不斷深入，Stern等人[37]結(jié)合以上兩種模型對雙電層模型進(jìn)行了優(yōu)化，如圖1-4(c)。因此，雙電層電容（Cdl）可以看作是由緊密層電容（CH）與擴(kuò)散層電容（Cdiff）串聯(lián)而成的，其電容可以表示為：1=1+1(2)基于以上理論，電解液與電極材料界面的雙電層可用于存儲能量。當(dāng)外加電壓施加于正負(fù)極時，電解質(zhì)中的電荷由于異電荷相吸發(fā)生定向移動。由于電極之間在充電過程中存在一個小于電解液分解值的電壓，帶電離子將向與自身電荷相反的方向移動導(dǎo)致電荷快速分布于正負(fù)極與電解質(zhì)界面交界處，產(chǎn)生致密的雙電層。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]超級電容器電解質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 楊賀珍,冉奮.  材料導(dǎo)報. 2018(21)
[2]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai.  National Science Review. 2017(03)
[3]石墨烯基超級電容器研究進(jìn)展[J]. 楊德志,沈佳妮,楊曉偉,馬紫峰.  儲能科學(xué)與技術(shù). 2014(01)
[4]超級電容器及應(yīng)用探討[J]. 張琦,王金全.  電氣技術(shù). 2007(08)

碩士論文
[1]二維層狀材料及其復(fù)合材料的制備與電化學(xué)儲能研究[D]. 蘇當(dāng)成.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 2018
[2]超級電容器用新型多孔碳材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D]. 吳春.湘潭大學(xué) 2014



本文編號：3589620