本文關(guān)鍵詞：三維多孔復(fù)合電極材料的設(shè)計合成及其在超級電容器中的應(yīng)用研究

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【摘要】：隨著化石燃料的逐漸消耗,能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重,新能源(太陽能、風(fēng)能和潮汐能等),但是如何高效利用和轉(zhuǎn)化這些清潔能源仍存在很多問題。因此,開發(fā)可持續(xù)的高能量儲存和轉(zhuǎn)化設(shè)備(如可充電循環(huán)的二次電池和超級電容器等)引起科研者的廣泛關(guān)注。其中,超級電容器因其高功率密度、超長循環(huán)穩(wěn)定性、較寬溫度使用范圍以及快速充放電等優(yōu)點,成為新型能源儲存設(shè)備的研究熱點。在航空航天、交通設(shè)施、通訊等電子器件以及混合動力汽車等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。能量密度、倍率性能以及循環(huán)穩(wěn)定性等是衡量超級電容器否能用于實際生活中的重要電化學(xué)參數(shù)。因此,科研者在電極材料改性方面也進(jìn)行了很長時間的探索研究。具體方法包括：通過物理、化學(xué)作用制備高導(dǎo)電性的石墨烯、碳納米管等復(fù)合電極材料；通過調(diào)控二維或三維多孔的形貌結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大的比表面積電極材料的制備,增加其在電解液中的活性位點,實現(xiàn)高比容量和良好循環(huán)穩(wěn)定性能的超級電容器；以生物質(zhì)為原材料一如雜原子摻雜的活性電極材料的制備實現(xiàn)兼具雙電層和贗電容行為,同時還可以拓寬電壓測試窗口提高電容器的能量密度�；谏鲜鏊枷�,在本論文中,我們成功制備高比容量、良好導(dǎo)電性和高比能量密度的新穎三維多孔復(fù)合材料,并實現(xiàn)其在超級電容器中的應(yīng)用研究,具體研究內(nèi)容包括：(1)具有良好導(dǎo)電性、高比能量密度的自支撐結(jié)構(gòu)的氫氧化鎳與石墨烯復(fù)合物的形貌調(diào)控機(jī)理及電化學(xué)性能研究。為實現(xiàn)良好導(dǎo)電性和高比容量,我們通過簡單的一步水熱法,制備一種自支撐結(jié)構(gòu)的氫氧化鎳與石墨烯復(fù)合物。實驗結(jié)果表明,以覆蓋石墨烯的纖維素為基底生長形成的氫氧化鎳具有垂直交叉網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu),相比于比表面積為366.9 m2g-1的球狀氫氧化鎳,我們制備的自支撐結(jié)構(gòu)的氫氧化鎳石墨烯(Ni(OH)2-CFG)擁有425.9 m2g-1的比表面積。導(dǎo)電的石墨烯基底可以提供很好的離子和電子轉(zhuǎn)移路徑,復(fù)合材料有利于實現(xiàn)較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在2 mol L-1NaOH和1 Ag-1的電流密度下,Ni(OH)2-CFG復(fù)合材料擁有2276 F g-1的電容值,且在5 Ag-1的電流密度下,5,000圈循環(huán)之后容量幾乎沒有衰減。組裝的不對稱電容器在水系電解液測試中擁有安全的1.6V的電壓測試窗口,最大比電容為191.3 F g-1和能量密度為15.0 Wh kg-1的。因此,自支撐結(jié)構(gòu)的氫氧化鎳與石墨烯復(fù)合物很好的解決了粘結(jié)劑添加導(dǎo)致的差導(dǎo)電性,石墨烯纖維素作為導(dǎo)電基底對解決過渡金屬氫氧化物的循環(huán)穩(wěn)定性差和較低的能量密度問題以及合成其他復(fù)合材料提供較有意義的指導(dǎo)。(2)具有優(yōu)異倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性的三維聚吡咯與石墨烯復(fù)合材料的制備和性能研究。為了解決聚吡咯在反復(fù)充放電過程中,結(jié)構(gòu)坍塌導(dǎo)致的不穩(wěn)定性以及提升倍率性能,通過陽離子表面活性劑(十六烷基三甲基溴化銨)修飾和氧化石墨烯的協(xié)同作用,在DL-天冬氨酸水熱還原作用下成功將納米的聚吡咯球嵌入在褶皺、層狀的石墨烯中形成三維復(fù)合材料。層狀的石墨烯不僅可以提高了材料的導(dǎo)電性,而且形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還緩解了聚吡咯骨架在反復(fù)循環(huán)充放電過程中結(jié)構(gòu)坍塌的問題。電化學(xué)測試結(jié)果表明：聚吡咯與石墨烯的復(fù)合物在1 mV s-1掃速時有近400 F g-1的比電容；即使在10 Ag-1的電流密度下,依然擁有243.2 F g-的比容量；在5,000圈的反復(fù)充放電循環(huán)后,容量保持率高達(dá)91.8%。因此,陽離子表面活性劑修飾的納米聚吡咯球通過π-π共軛和靜電吸附的協(xié)同作用均勻鑲嵌在層狀褶皺狀的石墨烯的化學(xué)方法,為實現(xiàn)突出循環(huán)穩(wěn)定性的導(dǎo)電高分子電極材料的制備提供了有意義的參考價值。(3)具有高比容量和超高倍率穩(wěn)定性能的層狀沉積巖結(jié)構(gòu)、富氧多孔碳材料的制備和性能研究。富含氨基酸的天然多肽生物質(zhì)明膠實現(xiàn)氮原子摻雜的前驅(qū)體,富含氧官能團(tuán)的有機(jī)酸檸檬酸不僅可以提供氧摻雜的來源,其水溶液的粘性對于層狀沉積巖結(jié)構(gòu)的形成也是十分必要。本文我們以生物質(zhì)明膠和檸檬酸為原材料,通過一步活化煅燒的方法成功制備了一種富氧層狀沉積巖結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。氧和氮原子雙摻雜不僅可以提高碳材料在水電解液中的浸漬性,而且雜原子還有一定的贗電容電荷儲能。電化學(xué)測試結(jié)果表明,材料在1 A g-1的電流密度下具有272.6 F g-1的比容量,而且在很高的電流密度(100 A g-1)下,依然擁有197.0 F g-1的比容量,表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的倍率性能(在電流密度增加100倍的情況下仍有72.3%的容量保持率)。組裝的對稱超級電容器GA650//GA650在功率密度為34.7 kW kg-1時能量密度高達(dá)25.3 Wh kg-1,2 A g-110,000圈循環(huán)之后容量幾乎沒有衰減的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。因此,以生物質(zhì)為原材料制備雜原子摻雜的多孔層狀沉積巖結(jié)構(gòu)活性碳,成功實現(xiàn)了高比容量和優(yōu)異倍率性能的超級電容器,為制備其他碳材料的提供了有意義的研究思路。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646.54;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳英放;李媛媛;鄧梅根;;超級電容器的原理及應(yīng)用[J];電子元件與材料;2008年04期

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本文編號：1150306