氮摻雜碳材料以及過渡金屬氧化物作為電容器電極可發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)從而具有一定的贗電容性質(zhì),因此在電化學(xué)電極材料的儲能方面有巨大的應(yīng)用潛力,但是材料本身的贗電容相對有限。在電解質(zhì)中引入氧化還原活性成分可以大幅度提高電容器件比容,本文主要就氧化還原電解質(zhì)體系超級電容器的電化學(xué)儲能進行研究,采用氮摻雜碳材料以及過渡金屬氧化物作為電極材料,將多元酚及K_3Fe(CN)_6等氧化還原活性物質(zhì)引入電解質(zhì)體系,借助電極材料的催化作用促進氧化還原活性電解質(zhì)的快速可逆氧化還原反應(yīng),從而提高電容器件的儲能性能。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)以石墨烯和聚吡咯構(gòu)建多孔框架,通過一步活化在不同溫度煅燒合成N,O異質(zhì)元素?fù)诫s的多孔碳。在最優(yōu)活化溫度700℃制備的GNAC700材料具有高比表面積、多級結(jié)構(gòu)孔道及較高表面潤濕性,能提供高效電解質(zhì)擴散傳輸通道和較高可接觸表面積,同時結(jié)合氧化還原活性N,O基團的法拉第電容貢獻,展示出良好的倍率及循環(huán)性能。進而將鄰苯二酚引入酸性電解質(zhì)體系,對比發(fā)現(xiàn)N,O摻雜多孔碳對鄰苯二酚和鄰苯醌的氧化還原反應(yīng)有明顯催化活性,電解質(zhì)的法拉第反應(yīng)與電極材料中吡啶型N直接相關(guān);通過活性電解質(zhì)的贗電容貢獻在1 A g-1時可將電極比容提高4倍以上,達到512 F g-1。通過氧化還原電解質(zhì)和催化電極之間的協(xié)同作用改善超級電容器的電容性能可為有效改善器件電容性能提供有益參考。(2)通過水熱沉積輔以低溫煅燒在泡沫鎳集流體表面沉積網(wǎng)狀石墨烯-NiO復(fù)合材料,該復(fù)合材料電極在堿性電解液中能提供1058 F g-1的比容(1 A g-1),同時該電極對堿性電解質(zhì)中K3Fe(CN)6的氧化還原反應(yīng)有較強催化活性,通過電極自身以及氧化還原電解質(zhì)的雙重贗電容貢獻,將比容提高至3790 F g-1(1 A g-1),同時能保持較高倍率性能,顯示出催化電極對超級電容器儲能性能的顯著改善作用。(3)采用三聚氰胺泡沫為碳材料前軀體,在含有氧化石墨烯的苯胺單體溶液中聚合,進一步通過碳化處理得到了交聯(lián)空球狀氮摻雜碳材料。該材料的碳氮骨架有很好的電容性質(zhì)和催化活性,在傳統(tǒng)的酸電解質(zhì)中有較高電容。在含有酚的電極體系中,其比容接近340 F g-1(1A g-1),是酸性電極體系電容的2倍。同時也在不同溫度對該材料的電化學(xué)性能進行表征,表明該材料在電化學(xué)儲能方面有很好的應(yīng)用潛力。
【學(xué)位單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：O646;TM53
【部分圖文】：

圖 1-1 先進電容器的發(fā)展史現(xiàn)在的靜電電容器技術(shù)包括電化學(xué)，陶瓷，聚合物薄膜和云母，通常應(yīng)用于平結(jié)構(gòu)且在微電子電路和波紋過濾器方面應(yīng)用也比較廣泛。對于小的、完整的、的并且有效的空間包裝的器件的需求都促使納米電解質(zhì)嵌入電容器技術(shù)的發(fā)展為了取代離散解耦電容器，他們直接嵌入無源器件比如印刷電路線板[11-16]。盡容器技術(shù)是發(fā)展高速集成電路的理想選擇，但是它提供的電容卻低于 10uF g-1低于 0.1Wh kg-1。圖 1-2b 表明其不像電池，陽極的表面積可以和陰極一樣大，因為在電極上可同的可逆反應(yīng)。電極在充放電過程中沒有發(fā)生形貌、體積等的改變，因此雙電可以循環(huán)幾萬次并且能量密度可以達到 5Wh kg-1。早期探究的法拉第贗電容器質(zhì)子吸附到貴金屬上如鉑或者金以及電化學(xué)質(zhì)子金屬含水氧化物氫氧化物如氧化釕和氧化銥水合物[17-19]。最近大量的研究表明屬氧化物是利用氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的法拉第反應(yīng)儲存電荷的。一般來說，贗

圖 1-2（a）雙電層電容器離子吸附到電極表面過程（b）贗電容電容器電荷轉(zhuǎn)移到電極表面過程圖1.2.2 超級電容器工作原理超級電容器是電化學(xué)儲能裝置，主要包括雙電層電容和贗電容，就能量密度和功度而言它是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電容器之間的一種新型能量存儲裝置，其主點是高功率、長壽命、不足之處則是低能量密度，即較低的的電容性能[20]。由于超容器的功率密度至少在 10kW Kg-1，比鋰離子電池高一個數(shù)量級，可以應(yīng)用在混合汽車、公共交通、裝載起重機、負(fù)載均衡和備用電源電力公司和工廠。圖 1-3 是一系列儲能裝置的 Ragone 圖比較。在未來市場里超級電容器可以與電同樣的應(yīng)用因為他們具有相似之處。超級電容器在能量儲存或者質(zhì)量方面可以補足是取代電池，主要包括便攜式電子設(shè)備，插電式混合動力電動車輛，風(fēng)電場以及長持續(xù)的輸出電路[21]。但是市場研發(fā)卻受到了限制，主要是由于成本高，能量密度低

圖 1-3 不同儲能裝置的能量密度和功率密度的 Ragone 圖.3 氧化還原超級電容器的原理以及納米尺寸的影響對于電荷積累在雙電層的電化學(xué)電容器，計算電容的公式如下：C = = (1-1)Q 是電極板上總的電荷，V 是施加在電容器上的電壓，A 是離子可以接觸到的液的比表面積，d 是擴散雙電層的厚度，εo=8.854 x 10-12F m-1是空間的介電電解液的介電常數(shù)。雙電層的電荷密度是由吸附在內(nèi)部亥姆霍茲面的離子以及電荷密度組成。因此整個雙電層電容 Cdl包括亥姆霍茲型固定雙電層電容 CH和層 Cdiff1 =1 1 (1-2)

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 Thang Ngoc Cong;;Progress in electrical energy storage system:A critical review[J];Progress in Natural Science;2009年03期

本文編號：2821321