本文關(guān)鍵詞：高性能水系不對(duì)稱超級(jí)電容器新型負(fù)極材料的研究

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【摘要】：超級(jí)電容器,也被稱作電化學(xué)電容器,其作為很多設(shè)備的儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)引起很大的關(guān)注。例如手提電子器件和電動(dòng)車輛上的應(yīng)用,得益于超級(jí)電容器的高功率密度,快速充放電,優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性,以及低維護(hù)成本等所需的特性。然而,要滿足各種在各種電子器件上的實(shí)際應(yīng)用,目前的超級(jí)電容器的能量密度還需要在不犧牲其功率密度的基礎(chǔ)上很大的提高。根據(jù)能量密度計(jì)算公式E=1/2C滬,超級(jí)電容器的單位比能量(E)可以通過提高其輸出電壓(V)或者單位比電容(C)來提高。提高超級(jí)電容器工作電壓的一種直接有效的方法就是使用離子液體或者有機(jī)電解液,但是由于其離子電導(dǎo)率低,循環(huán)壽命短,而且有毒性,這使得它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中不常用。另一種更加令人滿意的策略就是構(gòu)建不對(duì)稱超級(jí)電容器,并使用離子傳輸快的環(huán)境友好的水系電解液。用成本低、環(huán)保的水系電解液組裝不對(duì)稱超級(jí)電容器是一種很有前景的新方向。對(duì)于不對(duì)稱超級(jí)電容器,具有良好獨(dú)立電勢(shì)窗口的不同的負(fù)極和正極電極材料用來匹配,以使不對(duì)稱超級(jí)電容器的輸出電壓達(dá)到最大化。很多研究者選擇過渡金屬氧化物作為正極,選擇碳基材料作為負(fù)極去組裝不對(duì)稱超級(jí)電容器。在中性水系電解液中,二氧化錳(Mn02)基材料由于其在正電勢(shì)窗口下優(yōu)越的電化學(xué)性能,已經(jīng)發(fā)展成一種出色的不對(duì)稱超級(jí)電容器正極材料。然而,大部分不對(duì)稱超級(jí)電容器的負(fù)極材料仍然使用的是活性炭(AC),這使得其能量密度得不到更多的提高。在高能量密度不對(duì)稱超級(jí)電容器中,高比電容的負(fù)極材料的開發(fā)仍然面臨巨大的考驗(yàn)。這里,我們的第一個(gè)工作是通過水熱法合成制備了鐵酸錳/石墨烯(MnFe2O4/G)納米復(fù)合材料,通過微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)測(cè)試分析,也顯示出了其是一種很具有前景的不對(duì)稱超級(jí)電容器負(fù)極材料。我們用鐵酸錳/石墨烯(MnFe2O4/G)納米復(fù)合材料作負(fù)極,用二氧化錳/碳納米管(MnO2/CNT)納米復(fù)合材料作正極,1 mol L-1的硫酸鈉溶液作電解液,組裝了一種1.8 V的不對(duì)稱超級(jí)電容器。其在功率密度為225 Wkg-1時(shí),能量密度達(dá)到了25.9 Wh kg-1;其功率密度達(dá)到14.4 kWkg-1的時(shí)候,仍然保持著18.11Whkg-1的很高的能量密度。除了高的能量密度和功率密度外,MnFe2O4/G//MnO2/CNT不對(duì)稱超級(jí)電容器表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能和良好的循環(huán)穩(wěn)定性能。氧化鐵,盡管被認(rèn)為是一種很具前景的的不對(duì)稱超級(jí)電容器負(fù)極材料,但氧化鐵基電極的比電容比較低,而不能很好地用于全電容中與正極相匹配。在我們的第二個(gè)主要工作中,通過一種簡易可行的方法,制備了由分散良好的氧化鐵量子點(diǎn)(大約2nm)負(fù)載在熱剝離的石墨烯片層上構(gòu)成的復(fù)合材料。在lmol L-1的硫酸鈉溶液中,制備的氧化鐵/熱剝離石墨烯復(fù)合材料的比電容在-1到0V(相對(duì)于Ag/AgCl參比電極)的電壓區(qū)間可達(dá)到347Fg-1。我們還利用制備的氧化鐵量子點(diǎn)/熱剝離石墨烯作負(fù)極、二氧化錳/熱剝離石墨烯作正極、lmol L-1的硫酸鈉溶液作電解液,組裝了一種2 V的不對(duì)稱超級(jí)電容器。這種不對(duì)稱超級(jí)電容器在功率密度為100 W kg-1時(shí),可以達(dá)到50.7 Wh kg-1的高能量密度,同時(shí)其還具有優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和功率容量。氧化鐵量子點(diǎn)/熱剝離石墨烯復(fù)合材料,得益于其簡易可行的合成方法以及優(yōu)越的超電容性能,都使其成為了一種很具前景的高性能不對(duì)稱超級(jí)電容器的負(fù)極材料。
【關(guān)鍵詞】：不對(duì)稱超級(jí)電容器 水系電解液 能量密度 鐵酸錳 氧化鐵 量子點(diǎn) 石墨烯 納米復(fù)合材料 負(fù)極
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM53
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-21
• 1.1 超級(jí)電容器簡介9-13
• 1.1.1 超級(jí)電容器的發(fā)展歷史10-11
• 1.1.2 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)11-12
• 1.1.3 超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)12-13
• 1.2 超級(jí)電容器的能量儲(chǔ)存機(jī)理及分類13-17
• 1.2.1 雙電層電容器14
• 1.2.2 法拉第贗電容器14-15
• 1.2.3 不對(duì)稱超級(jí)電容器15-17
• 1.3 超級(jí)電容器電極材料17-19
• 1.3.1 碳結(jié)構(gòu)電極材料17-18
• 1.3.2 導(dǎo)電聚合物電極材料18
• 1.3.3 金屬氧化物電極材料18-19
• 1.5 本論文研究目的和內(nèi)容19-21
• 1.5.1 研究目的19-20
• 1.5.2 研究內(nèi)容20-21
• 2 實(shí)驗(yàn)方法及原理21-28
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器設(shè)備21-22
• 2.2 材料的物性表征22-24
• 2.2.1 X射線衍射儀(XRD)22
• 2.2.2 拉曼光譜儀(Raman)22-23
• 2.2.3 氮吸附測(cè)試儀23
• 2.2.4 熱重分析儀(TGA)23
• 2.2.5 掃描電子顯微鏡(SEM)23
• 2.2.6 透射電子顯微鏡(TEM)23-24
• 2.3 材料的電化學(xué)性能測(cè)試24-26
• 2.3.1 循環(huán)伏安測(cè)試(CV)25
• 2.3.2 恒流充放電測(cè)試(GCD)25-26
• 2.3.3 交流阻抗測(cè)試(EIS)26
• 2.4 電化學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算26-28
• 2.4.1 單電極比容量計(jì)算26
• 2.4.2 不對(duì)稱電容器比容量、能量密度、功率密度計(jì)算26-28
• 3 鐵酸錳/石墨烯復(fù)合材料的制備及研究28-34
• 3.1 引言28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分28-29
• 3.3 材料的晶體學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)表征29-31
• 3.4 電化學(xué)性能分析31-33
• 3.5 本章小節(jié)33-34
• 4 氧化鐵量子點(diǎn)/熱剝離石墨烯復(fù)合材料的制備及研究34-49
• 4.1 引言34-35
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分35-36
• 4.3 材料的晶體學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)表征36-42
• 4.4 電化學(xué)性能測(cè)試42-47
• 4.5 本章小結(jié)47-49
• 5 結(jié)論及工作展望49-51
• 5.1 結(jié)論49
• 5.2 工作展望49-51
• 致謝51-52
• 參考文獻(xiàn)52-62
• 附錄62

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：609435