本文關鍵詞：碳布自支撐電極的制備及電化學性能研究

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【摘要】：面對日前持續(xù)嚴重的能源危機和環(huán)境問題,發(fā)展具有綠色,環(huán)保,高效的新能源材料和技術成果已經迫在眉睫。超級電容器,介于二次電池和傳統靜電電容器的新型儲能器件,由于具有高功率密度,短的充放電時間和長的使用壽命,從而被認為具有成為下一代能量存儲與轉化器件的巨大潛力。一直以來,落后的生產工藝技術和低的比能量密度成為了限制超級電容器發(fā)展的兩大主要因素,所以在保持高功率密度的同時提高它的能量密度和發(fā)展新的生產應用技術和手段成為當下該領域研究的熱點。根據儲能機制的差異,超級電容器可以分為基于碳材料的雙電層電容器,和依靠金屬氧化物和導電聚合物發(fā)生的可逆電化學氧化還原反應的贗電容電容器。近年來,超級電容器的研究方向不僅僅是開發(fā)出新的電極材料,也包括了超級電容器器件的組裝與性能優(yōu)化。人們在追求高效簡捷的生活方式的背后推進了可穿戴移動設備的發(fā)展,柔性電子設備尤其是能源存儲器件的需求不斷增加。將活性材料負載或原位生長在多孔化的柔性基底上能消除傳統壓片工藝和添加粘結劑對器件電容性能和穩(wěn)定性的負面影響。本文將圍繞商業(yè)碳布作為集流體柔性基底和碳源分別做了系統工作研究�；诩饩牧蟽�(yōu)越的電導性能和多價態(tài)中心,設計合成了具有高比表面積,多孔的鈷酸鎳二維納米薄片結構。同時,本文打破了碳布僅僅作為集流體的傳統認識,基于碳布作為柔性基底和碳源的雙功能作用,通過化學氧化和射線輻照還原兩步法制備了具有多孔結構的核殼碳纖維碳布電極,并對該活化碳布電極材料體系的電化學性能做了評價和測試。本文的主要內容概括如下:(1)基于原位生長鈷酸鎳二維納米碳布電極的固態(tài)對稱超級電容器:采用水熱合成法我們首次使用P123和EG復合添加劑在碳布上原位生長了超薄的介孔網狀鈷酸鎳納米片。比較了不同的添加劑的條件下,得到的不同形貌鈷酸鎳活性材料的電化學性能。通過SEM和TEM圖表明,在加入P123和EG的同時得到了超薄的二維介孔納米片,而且這些納米薄片相互交錯生長形成了三維的網狀結構。網狀結構有利電解質離子的傳輸,快速可逆的法拉第反應的發(fā)生和電化學性能的化學和熱穩(wěn)定性。納米薄片的以橋連的方式連接和鈷酸鎳自身優(yōu)越的電導性能提高了體系的導電性,原位碳布生長鈷酸鎳又消除了粘結劑對電解質離子在活性材料中傳輸電阻和活性材料與基底的接觸電阻的影響。性能測試結果表明,我們得到鈷酸鎳電極材料在1 A/g的電流密度下具有高的比電容(1843.3 F/g),鈷酸鎳的碳布電極材料的比電容優(yōu)于先前報道的類似體系電容器的電容值。同時制備的碳布電極材料擁有好的倍率性能(在充電電流為32 A/g下仍能達到1481 F/g)和優(yōu)越的循環(huán)壽命(4000次電化學循環(huán)后比電容仍保持90%)。在此基礎上,我們組裝的柔性對稱器件在扭曲和彎曲的條件下保持很好電化學穩(wěn)定性,并且通過電化學測試,組裝得到的體系在保持高功率密度(14 kW/kg)的同時,大幅提高了鈷酸鎳體系的能量密度(38.3Wh/kg)。(2)我們成功通過兩步法設計合成多孔的核殼碳纖維自支撐碳布電極并應用于柔性超級電容器。這個工作里,我們創(chuàng)造性的將碳布展示了雙功能的作用:集流體和碳源。首先通過硝酸,濃硫酸,過氧化氫和高錳酸鉀等強氧化劑對商業(yè)碳布進行化學氧化,增加碳布的化學性能和潤濕性,并在碳纖維表面成功的造孔。與此同時在碳纖維表面同時的引入了一些含氧官能團,然而這些官能團會阻礙電化學雙電層電容過程中的電子傳輸和誘導電解質的分解,隨后我們首次在KOH堿性溶液的條件下應用Gamma射線輻照還原的方法在碳纖維表面去官能團化,達到合成多孔的核殼碳纖維電極活性材料的目的。通過TEM和阻抗分析可以得到這種發(fā)達的多孔核殼碳纖維結構擁有很小的內阻,有利于雙電層電容的電子傳輸過程。實驗表明,我們得到的多孔碳纖維碳布電極具有很高的負載量(12 mg/cm2),很高的面積電容(702 mF/cm2在1 mA/cm2的充電電流下),優(yōu)越的倍率性(在20mA/cm2仍能高達610 mF/cm2)和超長的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性(在不同的電流密度下進行30000次電化學循環(huán)后能達到初始電容的110.5%)。這一發(fā)現大大提高了商業(yè)碳布的電容,整整提高了2018倍。進一步探究發(fā)現,我們基于活化碳布組裝的固態(tài)對稱的超級電容器具有很高的能量密度0.556 mW·h/cm~3。
【關鍵詞】：柔性超級電容器 碳布電極 鈷酸鎳 γ輻照 對稱超級電容器
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O646.54;TM53
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-33
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超級電容器簡介13-19
• 1.2.1 超級電容器的工作原理13-16
• 1.2.2 超級電容器的結構16-17
• 1.2.3 超級電容器的特點17-18
• 1.2.4 超級電容器的應用18-19
• 1.3 超級電容器電極材料的研究進展19-23
• 1.3.1 碳材料研究進展19-21
• 1.3.2 金屬化合物研究進展21-22
• 1.3.3 導電聚合物的研究進展22-23
• 1.4 超級電容器面臨的問題23
• 1.5 本論文選題的背景意義及內容23-24
• 參考文獻24-33
• 第二章 實驗材料與測試方法33-41
• 2.1 實驗儀器與藥品33-34
• 2.2 材料的結構和形貌表征34-36
• 2.2.1 X射線衍射分析34-35
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM)35
• 2.2.3 透射電子顯微照片 (TEM)35
• 2.2.4 拉曼光譜分析 (RAMAN)35
• 2.2.5 X射線光電子能譜35
• 2.2.6 氮氣吸附脫附實驗35-36
• 2.2.7 全反射傅里葉變換紅外光譜36
• 2.3 電極的制備和器件組裝36
• 2.4 電化學性能測試方法與計算36-38
• 2.4.1 三電極測試36-37
• 2.4.2 兩電極測試37
• 2.4.3 循環(huán)伏安法37
• 2.4.4 恒電流充放電37-38
• 2.4.5 電化學阻抗測試方法38
• 2.5 數據計算38-39
• 2.5.1 單電級比電容的計算方法38
• 2.5.2 對稱超級電容器比電容的計算38-39
• 2.5.3 能量密度和功率密度的計算39
• 參考文獻39-41
• 第三章 水熱法制備鈷酸鎳/碳布自支撐電極及其電化學性能41-62
• 3.1 引言41-42
• 3.2 實驗部分42-43
• 3.3 材料的表征43-49
• 3.4 電化學性能測試49-58
• 3.5 本章小結58
• 參考文獻58-62
• 第四章 化學氧化法合成具備高電化學性能的碳布電極62-70
• 4.1 引言62-63
• 4.2 實驗方法63
• 4.3 材料表征和性能測試63-68
• 4.4 本章小結68
• 參考文獻68-70
• 第五章 兩步法合成具備高電化學性能的碳布活化電極70-84
• 5.1 引言70-71
• 5.2 實驗過程71
• 5.3 材料表征和性能測試71-81
• 5.4 本章小結81
• 參考文獻81-84
• 第六章 總結與展望84-86
• 6.1 總結84-85
• 6.2 展望85-86
• 攻讀學位期間本人出版或公開發(fā)表的論著、論文86-88
• 致謝88-89

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本文編號：843825