【摘要】：解決能源短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題的最有效途徑是尋找和開(kāi)發(fā)可再生的清潔能源,如風(fēng)能和太陽(yáng)能等。在新能源的開(kāi)發(fā)利用中,必然涉及和需要各種儲(chǔ)能裝置,其中超級(jí)電容器(或電化學(xué)電容器)因功率密度大(10 kW kg~(-1))、充放電快速、循環(huán)壽命長(zhǎng)(100000cycles)、安全等優(yōu)點(diǎn)而具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前的商業(yè)超級(jí)電容器(活性炭及其復(fù)合材料)能量密度低(3~6 Wh kg~(-1)),無(wú)法滿(mǎn)足電站調(diào)峰、工業(yè)大設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)等的需求。因此,研發(fā)高能量密度的超級(jí)電容器迫在眉睫。解決超級(jí)電容器能量密度問(wèn)題的關(guān)鍵是提高電極材料的比電容和器件的工作電壓。本文通過(guò)設(shè)計(jì)合理的合成路線(xiàn)制備了比表面積高、孔徑大小合適、具有多種形貌和分級(jí)結(jié)構(gòu)的電極材料,并用循環(huán)伏安、恒電流充放電和電化學(xué)阻抗譜等方法研究了它們的電化學(xué)電容性能,具體如下:(1)采用簡(jiǎn)易兩步法,先以硝酸鈷、硝酸鎳、尿素為原料,通過(guò)水解反應(yīng)得到含鈷和鎳的前驅(qū)體[(Ni_(1-x)Co_x)OH_2](CO_3~(2-))_(x/2)·nH_2O,再經(jīng)煅燒得到NiCo_2O_4。SEM、XRD和BET等表征表明,NiCo_2O_4是結(jié)晶度較低、大小為2~3μm的微球,表面具有海膽狀形貌和分級(jí)結(jié)構(gòu),比表面積為224 m~2 g~(-1)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)電流密度為1 A g~(-1)時(shí),制備材料的比電容為1167 F g~(-1);當(dāng)電流密度增加到20 A g~(-1)時(shí),比電容為1087 F g~(-1),電容保持率為93%。在10 A g~(-1)的電流密度下經(jīng)過(guò)3000次充放電循環(huán)后,材料的比電容從1095F g~(-1)衰減到967 F g~(-1),電容保持率為88.5%。(2)采用直接水熱法在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)NiCo_2O_4,制備了無(wú)粘結(jié)劑的電極NiCo_2O_4/NF。SEM和XRD表征結(jié)果表明,NiCo_2O_4像“海馬齒草”一樣生長(zhǎng)在泡沫鎳表面,長(zhǎng)度約為1μm,寬度為100 nm左右,為尖晶石晶相。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,在電流密度為1 A g~(-1)時(shí),NiCo_2O_4/NF電極的比電容為1349 F g~(-1);在10 A g~(-1)的電流密度下經(jīng)過(guò)3000次充放電循環(huán)后,電極的比電容為1152 F g~(-1),電容保持率為85.4%。(3)以荔枝殼為碳源,在過(guò)氧化氫和醋酸混合溶液中進(jìn)行水熱處理,然后經(jīng)高溫碳化,制備了荔枝殼碳材料。SEM、BET和紅外光譜等表征結(jié)果表明,制備的荔枝殼碳材料表面呈現(xiàn)海綿狀形貌,比表面積約為1037 m~2 g~(-1),富含羰基和羥基等基團(tuán)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,在1 A g~(-1)電流密度下荔枝殼碳材料的比電容為228 F g~(-1),經(jīng)20000次充放電循環(huán),其電容值仍保持100%。以荔枝殼碳材料為負(fù)極,海膽狀NiCo_2O_4材料為正極,PVA/KOH溶膠為電解質(zhì),組裝成混雜型超級(jí)電容器器件,該器件的能量密度為54 Wh kg~(-1),功率密度為808 W kg~(-1);在5 A g~(-1)電流密度下經(jīng)過(guò)15000次充放電循環(huán)測(cè)試,其容量衰減至初始值的50%。
【學(xué)位授予單位】：海南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB34;TM53
【圖文】：

圖 1-1. (a)Helmholtz 雙電層模型；(b)Gouy-Chapman 雙電層模型；(c)Stern 雙電層模型在上面三種經(jīng)典理論中，均認(rèn)為電容器的理論電容與電極的比表面積成正比。而隨料的不斷創(chuàng)新，發(fā)展出的超級(jí)電容器有“電容電池”之稱(chēng)，對(duì)于現(xiàn)在多孔碳電容器，三種理論不再適用。因此，經(jīng)過(guò)不斷完善，提出 EDCC (electric double-cylinde

電容器儲(chǔ)能機(jī)理示意圖

贗電容器儲(chǔ)能示意圖

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