【摘要】：新能源近年來發(fā)展迅速,但是由于其間歇性的特點,需要配套高性能的儲能裝置。超級電容器由于其優(yōu)異的性能被認(rèn)為是具有良好發(fā)展前景的新型儲能裝置。已有的研究表明電極的微納孔道結(jié)構(gòu)將極大地影響超級電容的性能,因此尋找孔道結(jié)構(gòu)具有高度可控性的高性能電極材料能極大地推進(jìn)超級電容器的應(yīng)用。本文運用分子動力學(xué)模擬的方法,深入研究了具有不同微納孔結(jié)構(gòu)電極的超級電容的儲能機理,希望能對尋找可控孔道結(jié)構(gòu)的高性能電極材料有所助益。本文研究了具有柱狀孔、狹縫型孔和六角形表面孔三種具有不同的微納孔結(jié)構(gòu)電極,在模擬中分別用單層碳納米管、石墨烯和導(dǎo)電金屬有機框架材料來對應(yīng)實現(xiàn)。在對具有柱狀孔碳納米管電極的研究中,發(fā)現(xiàn)負(fù)極具有更高的微分電容數(shù)值,指出離子與水分子的相互作用決定了這一特點;在對具有狹縫型孔的石墨烯電極的研究中,提出水與離子的相互作用會減小電極表面凈電荷量的積累,從而抵消了孔徑減小對電容的增長效果;在對具有六角形表面孔的導(dǎo)電性金屬有機框架材料電極的研究中,分析了雙電層離散分布的結(jié)構(gòu),通過對電荷屏蔽因子的計算發(fā)現(xiàn)更大的孔徑更加有利于容納略微超過電極電荷量的凈電荷,分析了不同電壓下的離子交換機制。簡而言之,本文在研究過程對具有不同微納孔結(jié)構(gòu)的電極材料進(jìn)行了模擬計算,探究了上述電極材料與電解質(zhì)形成的固液界面,研究了充電過程中的離子交換機制。通過對比各種電極材料的比電容等性能表現(xiàn)后,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性金屬有機框架材料具有與石墨烯相當(dāng)?shù)男阅�。考慮到導(dǎo)電金屬有機框架材料孔徑可調(diào)的特性,該材料有望用于制備出具有更高能量密度的超級電容器。
【圖文】：

超級電容分為雙電層電容(Electrical Double Layer Capacitor, EDLC)和贗電容sudocapacitor)兩種。超級電容的結(jié)構(gòu)主要由電極材料、集流體、隔膜和電解質(zhì)組其中常見的雙電層電容結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，雙電層電容不涉及氧化還原反應(yīng)，離會嵌入電極材料中，而贗電容會發(fā)生離子嵌入/脫出電極材料的行為。超級電容和電解質(zhì)材料的選擇十分重要，目前可用作超級電容電極材料[15,16]的主要包括類碳材料，如活性炭(AC)[17,18]、碳化物衍生碳(CDC)[19-21]、碳納米管(CNT)[22,23]、烯[24-26]等等，是超級電容器中目前使用最廣泛的材料；(2)過渡金屬氧化物，如化銠(RuO2)[27, 28]、二氧化錳(MnO2)[29-31]等等，過渡金屬氧化物多用于贗電容和型超級電容；(3)導(dǎo)電聚合物[32-38]，，本文涉及的導(dǎo)電金屬有機框架材料[35-38]即是一類。超級電容器中所用的電解質(zhì)[39]可分為液態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)或者準(zhǔn)固態(tài)電解氧化還原活性電解質(zhì)三類，其中液態(tài)電解質(zhì)又可以分為水系電解質(zhì)[40-43]、有機溶解質(zhì)[44-46]、離子液體[47-51]等幾類電解質(zhì)。

4圖 1-2 超級電容器、傳統(tǒng)電容、電池性能比較[52]的能量密度公式為：221E ACV，E 為超級電容器的能量密度，A 為電極的有效比表面積，C 為超V 為超級電容器的電壓。從公式(1.1)可見，提高超級電容器的電壓手：(1) 提高電極的有效比表面積，高度擴(kuò)展并具有大量空隙結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)中的離子充分接觸，從而儲存更多的電荷，這也是目前碳原因，而金屬有機框架材料具有相當(dāng)大的比表面積（最大的[54]超
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM53

【參考文獻(xiàn)】

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1 王鵬;王晗;張建文;蔡旭;韓正之;;超級電容儲能系統(tǒng)在風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越中的設(shè)計及應(yīng)用[J];中國電機工程學(xué)報;2014年10期

2 徐世曉,趙新全,孫平,趙同標(biāo),趙偉;溫室效應(yīng)與全球氣候變暖[J];青海師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2001年04期

本文編號：2633253