【摘要】：石墨烯由于具有高的比表面積、豐富的活性位點(diǎn)和優(yōu)異的導(dǎo)電性能等,在電子和儲(chǔ)能器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,但其存在結(jié)構(gòu)容易團(tuán)聚、邊緣利用率低等問題。因此,三維石墨烯一定程度上解決了這些問題,但是仍然存在孔徑過大的問題。本文針對(duì)以上問題,利用靜電紡絲技術(shù)制備PAN纖維前驅(qū)體,通過控制碳化工藝控制在納米碳纖維表面形成徑向取向的小尺寸石墨烯片,利用CVD法在納米碳纖維表面進(jìn)一步生長(zhǎng)徑向取向的大尺寸石墨烯片,獲得了新型的三維石墨烯材料,改善了結(jié)構(gòu)團(tuán)聚,獲得了較小的孔徑,在超級(jí)電容器和鋁離子電池中獲得了良好的性能,主要研究工作和結(jié)果如下:通過控制碳化工藝在納米碳纖維表面生長(zhǎng)了徑向取向的小尺寸石墨烯片,研究了碳化工藝參數(shù)的影響,測(cè)試了其電化學(xué)性能。隨著碳化溫度的升高,纖維表面石墨烯片逐漸形成并增多,同時(shí)纖維直徑下降,1100℃時(shí)獲得了良好的石墨烯結(jié)構(gòu)。在1100℃下,研究了NH3流量對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的影響:隨著NH3流量的增加,纖維直徑下降,纖維表面石墨烯結(jié)構(gòu)逐漸生成,并且石墨烯面密度增加。在NH3流量為180 mL/min時(shí)獲得了分布均勻且面密度較高的石墨烯結(jié)構(gòu)。在1100℃、NH3流量為180 mL/min時(shí)研究了碳化時(shí)間對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的影響:隨著碳化時(shí)間的增加,纖維直徑下降,纖維表面石墨烯面密度逐漸增加。在碳化2 h時(shí)獲得了分布均勻且面密度較高的石墨烯結(jié)構(gòu),并且形成了具有徑向取向的小尺寸石墨烯片。利用電化學(xué)工作站和LANHE電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:所制備的石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳纖維具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。在水系三電極測(cè)試中獲得375 F/g的電極比電容;在有機(jī)對(duì)稱型超級(jí)電容器中可獲得器件比電容為80 F/g,能量密度達(dá)到69.4 Wh/kg;在鋁離子電池中獲得電池初始比容量為78 mAh/g,能量密度達(dá)到42.6 Wh/kg,功率密度高達(dá)1704 W/kg,循環(huán)5000次后比容量保持在72mAh/g,庫(kù)倫效率大于99%。利用CVD方法,以CH4-H2混合氣氛作為生長(zhǎng)氣源,在納米碳纖維表面生長(zhǎng)了徑向取向的石墨烯片,研究了工藝參數(shù)的影響,測(cè)試了其電化學(xué)性能。隨著溫度的升高,纖維表面石墨烯片高度增加,面密度增大,在1200℃時(shí)獲得了結(jié)構(gòu)良好的石墨烯片。在1200℃下,研究了CH4流量對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)的影響:隨著CH4流量的減少,纖維直徑減小,纖維表面石墨烯片層數(shù)減少,并且石墨烯面密度增加。在CH4流量為18 mL/min時(shí)獲得了分布均勻且面密度較高的少層石墨烯結(jié)構(gòu)。在1100℃、CH4流量為18 mL/min時(shí)研究了生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)石墨烯片高度的影響:隨著時(shí)間的增加,纖維表面石墨烯片高度逐漸增加。在生長(zhǎng)12 h后獲得了分布均勻的少層石墨烯結(jié)構(gòu),并且形成互相連接的多孔結(jié)構(gòu),石墨烯片層高度達(dá)100 nm左右。利用電化學(xué)工作站和LANHE電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:所制備的石墨烯結(jié)構(gòu)的納米碳纖維具有優(yōu)良的電化學(xué)性能,在鋁離子電池中獲得電池初始比容量為160 mAh/g,能量密度達(dá)到66.9 Wh/kg,功率密度高達(dá)2007 W/kg,循環(huán)3000次后比容量保持在128 mAh/g,庫(kù)倫效率大于98%。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文[34]人采用多孔 Al2O3陶瓷作為模板生產(chǎn)石墨烯管和多孔石墨烯/Al2O3復(fù)合材料，其表面電阻低至 0.11 Ω/sq[40]。這些高導(dǎo)電性的 3D 石墨烯架構(gòu)可以作為理想的沉積無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料（如聚苯胺（PANI）[45]）的骨架，作為超級(jí)電容器和電池中的高性能電極。此外，這些石墨烯泡沫電極中雜原子（如 N、B、P）的摻雜可以提高其電導(dǎo)率和表面親水性[46-48]。有效合成 3D 石墨烯材料的另一種途徑是使用聚合物前驅(qū)體。a)b)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文次，對(duì)于鋁金屬的電化學(xué)研究已經(jīng)成熟很多[64]。早在 1855 年科學(xué)家 Hulot[65]就開創(chuàng)了首個(gè)鋁電池的工作，此后便不再引起關(guān)注。這些電池類型的興起得益于三個(gè)重要因素，首先，這類電池對(duì)安全性的要求表現(xiàn)在惰性材料的選擇和一般環(huán)境下易于處理的試驗(yàn)方法。其次，鋁每次氧化還原反應(yīng)可以轉(zhuǎn)移 3個(gè)電子，這意味著在相同轉(zhuǎn)移電子數(shù)的情況下，鋁的反應(yīng)速率將是鋰的三倍。最后，鋁反應(yīng)過程擁有比其他金屬更高的體積容量，這是因?yàn)殇X具有轉(zhuǎn)移 3電子的能力。此后，鋁電池向更小尺寸發(fā)展。鋁的質(zhì)量容量也比除了鋰之外的金屬要高。對(duì)于商業(yè)化進(jìn)程來說，鋁金屬的單位能量的價(jià)格要低于其他金屬。根據(jù)電解液不同，鋁離子與電解液的結(jié)合方式不相同，發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)也不盡相同，但大體上分為以下兩種過程，如圖 1-2 所示。

圖 2-1 循環(huán)伏安法電勢(shì)—時(shí)間變化曲線圖001* *V VmVC idVs m V 量比電容（F/g）；描速度（mV/s）；性物質(zhì)質(zhì)量（g）；同電壓下的電流強(qiáng)度；壓變量。位法（CP）法是一種對(duì)電極施加恒定電流密度來研究材料的氧化試方法，如圖 2-2 所示。附加恒電流充放電過程中，工作電極的電勢(shì)逐漸發(fā)生原反應(yīng)的發(fā)生。由于材料存在內(nèi)阻，電勢(shì)隨時(shí)間變化化，充放電開始存在一定的電位躍遷。本論文利用計(jì)

【參考文獻(xiàn)】

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1 ;An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J];Science Foundation in China;2015年04期

本文編號(hào)：2778574