超級電容器的發(fā)展是加速全球化石燃料淘汰進(jìn)程中的重要環(huán)節(jié)。相較于傳統(tǒng)的儲能裝置,超級電容器的蓬勃發(fā)展是因?yàn)槠涑叩难h(huán)壽命特性以及在功率密度上的絕對優(yōu)勢。在超級電容器的電極材料中,以石墨烯為代表的碳材料在超級電容器電極材料領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。但是,石墨烯昂貴的制造成本及其復(fù)雜的制備工藝使得石墨烯遲遲未能廣泛地走進(jìn)生活生產(chǎn)應(yīng)用之中,因而衍生出了作為石墨烯廉價替代品的類石墨烯二維碳材料的及對其的廣泛研究。但同時單一結(jié)構(gòu)和組分的碳材料在性能上的提升空間也已十分有限,進(jìn)而使得研究者更多地關(guān)注于通過對碳材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)建以及引入多維組分來為材料的性能創(chuàng)造更多的發(fā)揮空間。因此,一種基于二維碳材料結(jié)構(gòu)和組分優(yōu)化調(diào)控的合成策略將為碳材料在超級電容器領(lǐng)域的發(fā)展重新注入強(qiáng)勁的動力。本文基于“凝膠-自蔓延”法的宏量制備策略,依次對二維碳材料實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)調(diào)控和組分調(diào)控。本文通過對凝膠前驅(qū)體的快速熱處理,利用自蔓延反應(yīng)特性使凝膠被“吹”成大尺寸的二維碳納米片,實(shí)現(xiàn)了材料的宏量制備。在隨后的工作中本文將硝酸鎳引入實(shí)驗(yàn)體系,以孔隙構(gòu)建的方式實(shí)現(xiàn)了對二維碳納米片的結(jié)構(gòu)調(diào)控。本文進(jìn)一步在熱處理過程中引入碳源,在二維碳納米片上... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

常見電化學(xué)儲能裝置的Ragone曲線圖[3]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1-2不同儲能裝置的電荷存儲機(jī)制圖[56]圖1-3為典型的EDLC的儲能機(jī)理圖，并以活性炭電極為例：正負(fù)極為附著在導(dǎo)電集流體上的固態(tài)活性炭電極，并且兩個電極通過絕緣隔膜分隔開。電極和隔膜之間為液體電解質(zhì)，常用的堿性電解液為KOH溶液，酸性電解液為H2SO4溶液，中性電解液為Na2SO4溶液。在超級電容器未接通電源時，電解質(zhì)離子在電解液中均勻排布，此時電解液中電勢為平衡狀態(tài)，正負(fù)極無電勢差。當(dāng)超級電容器接通電源后，器件在電源供電下開始充電。正極電勢偏離原先的平衡位置增大，與負(fù)極產(chǎn)生電勢差，導(dǎo)致電解液中帶正負(fù)電荷的離子分別朝著電極的陽極和陰極的位置移動。對于雙電層電容器而言，此時電極材料的豐富表面和多孔結(jié)構(gòu)為吸附在電極附近的電荷提供了容納空間，而更多的容納空間意味著裝置能夠儲存更多的能量。電荷吸附在電極表面的同時，也在不斷地改變裝置內(nèi)部的電勢差，使其最終達(dá)到與外電路電勢差平衡。此時電荷運(yùn)動的驅(qū)動力幾乎為0，達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，此時也對應(yīng)著材料在該電壓下能夠儲存的最大容量。放電過程則相反，具有一定能量儲備的超級電容器與外電路接通時，隨著儲存在電極中的電子不斷地轉(zhuǎn)移到外電路對外做功，吸附在電極上的正負(fù)離子在濃差驅(qū)動下也逐漸脫附到電解液中。因此，如何在電解質(zhì)離子吸附時為其提供更多的吸附位點(diǎn)，以及如何使得電荷的吸脫附過程更加快速并且使反應(yīng)更加充分的進(jìn)行是超級電容器電極材料材料的研究重點(diǎn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1-3典型的雙電層電容器的儲能機(jī)理圖[57]通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，超級電容器在宏觀上的容量和電荷存儲性能離不開電極材料的在微觀結(jié)構(gòu)上的行為表現(xiàn)。雖然超級電容器的電容量和電極材料的比表面積緊密相關(guān)，但是各種材料表現(xiàn)出來的電容量隨著比表面積的增加并不是簡單地線增長關(guān)系。這是因?yàn)殡姌O材料在與電解液相接觸的時候，并不是所有的表面能能夠展現(xiàn)出來，而只有那些能夠參與電化學(xué)行為的表面才能被稱為電化學(xué)活性表面。隨著近幾年對超級電容器材料的深入研究人們開始發(fā)現(xiàn)，對于單一結(jié)構(gòu)或組分的材料來說，性能的提升已經(jīng)不具備廣闊的空間。因此，研究者在致力于開發(fā)新的儲能材料同時，將更多的工作投入于在現(xiàn)以有材料的基礎(chǔ)上通過材料采取相關(guān)的優(yōu)化調(diào)控手段來提升材料電化學(xué)活性表面，從而達(dá)到對材料性能改進(jìn)的目的。2017年Lou[58]等人構(gòu)建了一種多級結(jié)構(gòu)的中空碳纖維。如圖1-4所示，課題組利用常見的沸石咪唑骨架材料ZIF-8作為摻雜物，將其摻雜到聚丙烯腈纖維中，然后通過靜電紡絲制備氮摻雜碳纖維（CNF-N）。最后通過熱處理和化學(xué)蝕刻工藝，得到多級結(jié)構(gòu)的中空氮摻雜碳纖維（HPCNF-N）。分級結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢使得由HPCNF-N作為電極材料組裝得到的超級電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。當(dāng)器件的功率密度為250W/kg時能量密度可達(dá)10.98Wh/kg。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：2979363