本文關(guān)鍵詞：摻氮石墨烯基復(fù)合電極材料及超級(jí)電容器的制備與性能研究

  更多相關(guān)文章： 能源存儲(chǔ) 超級(jí)電容器 三維石墨烯 大功率超聲 柔性

【摘要】：可再生清潔能源(如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等)有望替代傳統(tǒng)不可再生資源,但由于具有時(shí)效性、發(fā)電輸出不均勻性的特點(diǎn),需要借助電學(xué)器件將清潔能源產(chǎn)生的不穩(wěn)定能量?jī)?chǔ)存起來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定輸出。同時(shí),不斷追求微型化、便攜式的現(xiàn)代電子設(shè)備要求儲(chǔ)能器件必須更加輕便、高能量密度和具有承受大變形的能力。作為新型儲(chǔ)能器件的固態(tài)電化學(xué)超級(jí)電容器有望滿足這些要求。相比于鋰離子電池與傳統(tǒng)電容器,其具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)在保證高功率密度的同時(shí)提升能量密度；(2)快速充放電下的長(zhǎng)循環(huán)壽命；(3)40～70℃的寬工作溫度窗口；(4)高庫(kù)倫效率；(5)環(huán)境友好。電極材料對(duì)超級(jí)電容器電化學(xué)性能起著決定性作用。石墨烯因具備大比表面積、高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度等特性,成為理想的超級(jí)電容器電極材料。然而,碳材料電極是以雙電層機(jī)理為主,導(dǎo)致器件的電容存儲(chǔ)量偏低。通過(guò)與贗電容材料復(fù)合可改善這一缺點(diǎn),但復(fù)合體系中石墨烯主要以二維納米片形態(tài)存在,它們之間的強(qiáng)范德華力會(huì)造成嚴(yán)重堆疊；而贗電容材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)活性中心也會(huì)明顯減少。針對(duì)以上問(wèn)題,本文結(jié)合大功率超聲和簡(jiǎn)單水熱合成,成功制得摻氮石墨烯構(gòu)建的微納尺寸復(fù)合三維多孔結(jié)構(gòu),不僅實(shí)現(xiàn)了納米孔,而且這種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)使力學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性大大提升。將具有特定形貌的納米尺寸贗電容過(guò)渡金屬氫氧化物與三維多孔摻氮石墨烯復(fù)合,有效解決了石墨烯、氫氧化物的堆疊團(tuán)聚問(wèn)題。設(shè)計(jì)組裝了非對(duì)稱全固態(tài)超級(jí)電容器,并進(jìn)一步拓展到柔性器件的制備。本文主要內(nèi)容概括如下：(1)采用大功率接觸式超聲技術(shù)對(duì)氧化石墨烯懸浮液進(jìn)行預(yù)處理,在水熱條件下經(jīng)過(guò)乙二胺還原自組裝成三維多孔摻氮石墨烯(3DPNG)。得到的產(chǎn)物是摻氮石墨烯構(gòu)建的微納尺寸復(fù)合三維多孔結(jié)構(gòu),微米尺寸大片是由許多相互連接的納米孔構(gòu)成。這種微納復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具有與電解液接觸的高比表面積,而且使力學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性大大提升。系統(tǒng)研究了超聲功率對(duì)大片的直徑、厚度、三維孔結(jié)構(gòu)形成及納米多孔形貌的影響。3DPNG電極在5A g-1電流密度時(shí),質(zhì)量比電容為530.2F g-1,接近石墨烯的理論值(550F g-1)。經(jīng)過(guò)10,000次循環(huán)充放電后,電極材料的電容保持率仍然高達(dá)98.3%,庫(kù)倫效率為99.7%(接近100%)。(2)通過(guò)一步水熱法,成功制備了Co(OH)2六方納米片均勻分散在三維多孔石墨烯孔內(nèi)的3DPNG-Co(OH)2復(fù)合材料。復(fù)合結(jié)構(gòu)阻止了納米片和3DPNG的堆疊。調(diào)節(jié)復(fù)合物中Co(OH)2的含量實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)化。尤其是,在快速放電條件下,電容值明顯高于二維形態(tài)石墨烯/Co(OH)2復(fù)合物。此外,該復(fù)合電極材料在循環(huán)充放電2,000次后電容保持率高達(dá)95%,證明了其優(yōu)異的循環(huán)壽命。這些主要?dú)w因于：(1)Co(OH)2納米片具有規(guī)則的形貌；(2)3DPNG石墨烯中的三維多孔結(jié)構(gòu)阻止了Co(OH)2納米片的堆疊；(3)層次分明的復(fù)合結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電率的3DPNG基底有利于電子、離子的快速傳輸。(3)一維納米線與石墨烯復(fù)合時(shí)有望提升復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,且2CoCO3·3Co(OH)2 (CCH)是一種具有多元活性中心的新型贗電容材料。我們首次制備了CCH納米線與3DPNG基底緊密結(jié)合的復(fù)合電極材料。該電極比電容在1.0A g-1時(shí)達(dá)到1690F g-1；在電流密度增大10倍時(shí),電容值仍然高達(dá)1358F g-1；循環(huán)充放電10,000次后,電容保持率仍然高達(dá)94.2%。這是因?yàn)榧{米線對(duì)石墨烯自身堆疊起到一定阻礙作用,同時(shí)增加了電化學(xué)反應(yīng)中的有效反應(yīng)活性位點(diǎn)。組裝的3DPNG-CCH//3DPNG非對(duì)稱器件面積比電容高達(dá)153.5mF cm-2(電流密度1mA cm-2),工作電壓達(dá)到1.9V,器件的功率密度為25.3W m-2時(shí),能量密度高達(dá)0.77W h m-2。非對(duì)稱器件在循環(huán)充放電2000次后,電容保持在93.6%。串聯(lián)3個(gè)非對(duì)稱器件,在充電30s后,可點(diǎn)亮2個(gè)相同的LED燈15min。(4)以柔性鈦質(zhì)薄片為基底,制備了3DPNG-Ni(OH)2//3DPNG柔性非對(duì)稱全固態(tài)器。器件的電位窗口可達(dá)到2.5V,面積比電容為254.5mF cm-2,功率密度為944.1μW cm-2時(shí),能量密度高達(dá)79.5μWh cm-2。在10,000次恒流充放電后,其循環(huán)壽命和庫(kù)倫效率分別保持在92%和99.5%。在不同的彎曲角度下,電容性能無(wú)明顯降低,表明器件具有優(yōu)異的可彎折性能。將三個(gè)相同的非對(duì)稱器件進(jìn)行串聯(lián),充電30s之后,能點(diǎn)亮由38個(gè)LED燈并聯(lián)組成的NJU圖案,持續(xù)時(shí)間達(dá)39min。
【關(guān)鍵詞】：能源存儲(chǔ) 超級(jí)電容器 三維石墨烯 大功率超聲 柔性
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646.54;TM53
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-37
• 1.1 引言14-15
• 1.2 存儲(chǔ)器件概況及超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)15-17
• 1.2.1 存儲(chǔ)器件概況15-16
• 1.2.2 超級(jí)電容器性能優(yōu)勢(shì)16-17
• 1.3 超級(jí)電容器基本原理與分類17-20
• 1.3.1 電層型超級(jí)電容器(EDL capacitors,EDLCs)17-19
• 1.3.2 贗電容型超級(jí)電容器(Pseudocapacitors,PCs)19-20
• 1.3.3 混合型超級(jí)電容器(Hybrid capacitors,HCs)20
• 1.4 超級(jí)電容器電極材料介紹20-26
• 1.4.1 EDLCs型電極材料20-24
• 1.4.2 PCs型電極材料24-25
• 1.4.3 HCs型電極材料25
• 1.4.4 超級(jí)電容器電極材料發(fā)展趨勢(shì)25-26
• 1.5 石墨烯基電極材料現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)26-35
• 1.5.1 影響石墨烯性能的因素26-31
• 1.5.1.1 比表面積和孔徑分布26-27
• 1.5.1.2 層間距27-28
• 1.5.1.3 邊緣效應(yīng)28-29
• 1.5.1.4 共摻雜29-30
• 1.5.1.5 表面功能化30-31
• 1.5.1.6 電導(dǎo)率31
• 1.5.2 石墨烯復(fù)合物31-33
• 1.5.3 三維石墨烯基電極材料33-35
• 1.5.3.1 三維石墨烯的合成方法33-34
• 1.5.3.2 三維石墨烯復(fù)合電極材料34-35
• 1.5.4 目前石墨烯材料及其應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)35
• 1.6 本文選題及主要內(nèi)容35-37
• 第二章 3D多孔摻氮石墨烯復(fù)合材料的制備與電化學(xué)性能研究37-63
• 2.1 引言37-38
• 2.2 化學(xué)試劑38
• 2.3 電極材料的制備38-40
• 2.3.1 氧化石墨的制備方法38-39
• 2.3.2 3DPNG的制備方法39
• 2.3.3 3DPNG-Co(OH)_2復(fù)合材料的制備方法39
• 2.3.4 3DPNG-CCH復(fù)合材料的制備方法39-40
• 2.4 樣品結(jié)構(gòu)形貌表征40-41
• 2.4.1 X射線衍射測(cè)試40
• 2.4.2 X射線光電子能譜測(cè)試40
• 2.4.3 FTIR光譜測(cè)試40
• 2.4.4 熱重分析測(cè)試40
• 2.4.5 Raman光譜測(cè)試40-41
• 2.4.6 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測(cè)試41
• 2.4.7 透射電子顯微鏡測(cè)試41
• 2.5 電化學(xué)性能測(cè)試41-42
• 2.5.1 工作電極的制備41
• 2.5.2 循環(huán)伏安測(cè)試41
• 2.5.3 恒流充放電測(cè)試41
• 2.5.4 電化學(xué)阻抗測(cè)試41-42
• 2.5.5 循環(huán)壽命測(cè)試42
• 2.6 形貌與結(jié)構(gòu)分析42-53
• 2.6.1 3DPNG的結(jié)構(gòu)與形貌表征42-47
• 2.6.2 3DPNG-Co(OH)_2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與形貌表征47-50
• 2.6.3 3DPNG-CCH復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與形貌表征50-53
• 2.7 電化學(xué)性能分析53-61
• 2.7.1 3DPNG的電化學(xué)性能分析53-55
• 2.7.2 3DPNG-Co(OH)_2復(fù)合物的電化學(xué)性能分析55-58
• 2.7.3 3DPNG-CCH復(fù)合物的電化學(xué)性能分析58-61
• 2.8 本章小結(jié)61-63
• 第三章 非對(duì)稱電容器的設(shè)計(jì)與性能研究63-77
• 3.1 引言63-64
• 3.2 化學(xué)試劑64
• 3.3 電極材料的制備與非對(duì)稱電容器的設(shè)計(jì)組裝64-65
• 3.3.1 3DPNG-CCH//3DPNG非對(duì)稱電容器設(shè)計(jì)組裝64-65
• 3.3.2 3DPNG-Ni(OH)_2復(fù)合電極的制備方法65
• 3.3.3 3DPNG-Ni(OH)_2//3DPNG非對(duì)稱電容器設(shè)計(jì)組裝65
• 3.4 電極結(jié)構(gòu)形貌表征及非對(duì)稱電容器性能測(cè)試65-66
• 3.4.1 3DPNG-Ni(OH)_2結(jié)構(gòu)形貌表征65-66
• 3.4.2 非對(duì)稱電容器性能測(cè)試66
• 3.5 3DPNG-Ni(OH)_2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與形貌表征66-68
• 3.6 非對(duì)稱電容器電化學(xué)性能68-75
• 3.6.1 3DPNG-CCH//3DPNG非對(duì)稱電容器性能分析68-70
• 3.6.2 3DPNG-Ni(OH)_2//3DPNG非對(duì)稱電容器性能分析70-75
• 3.7 本章小結(jié)75-77
• 第四章 結(jié)論與展望77-79
• 4.1 結(jié)論77-78
• 4.2 工作展望78-79
• 參考文獻(xiàn)79-92
• 攻讀碩士期間取得的科研成果92-94
• 致謝94-95

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本文編號(hào)：891312