鈷基尖晶石型電極材料的合成及其在超級電容器中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2020-12-21 11:11
超級電容器的能量存儲能力與電極材料本身的性質(zhì)直接相關(guān),制備電化學(xué)性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好而且導(dǎo)電性好的電極材料一直是科研工作者們研究的主要方向。過渡金屬氧化物由于其結(jié)構(gòu)特性和良好的電化學(xué)活性,可以克服碳材料電化學(xué)性能差的缺點(diǎn),并且表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。而與過渡金屬氧化物贗電容材料,如MnO2等相比,尖晶石型過渡金屬氧化物（AB2O4）具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和導(dǎo)電性,作為新型的超級電容器電池型電極材料,在近些年受到越來越多的關(guān)注。而鈷基尖晶石型電極材料則是其中的翹楚,它們作為超級電容器電極材料可以提供優(yōu)異的性能。本論文以設(shè)計(jì)并合成具有高電容值以及高穩(wěn)定性的新型鈷基尖晶石型金屬氧化物電極材料為出發(fā)點(diǎn),將其與活性碳材料結(jié)合組裝非對稱電容器（ASC）,來提高器件的能量密度。我們選取具有三維骨架的泡沫鎳作為導(dǎo)電基底,并在其上直接生長具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)的鈷基尖晶石型過渡金屬氧化物等材料,形成具有三維結(jié)構(gòu)的電極材料。通過改變反應(yīng)條件等方法,探究了影響電極材料電化學(xué)性質(zhì)的因素,并利用多種表征和電化學(xué)性質(zhì)測試手段,為制備的新型電極材料的實(shí)際應(yīng)用提...
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖1.4雙電層電容器器件的組成結(jié)構(gòu)示意圖[37]
雙電層電容和贗電容儲能機(jī)制在通常的電化學(xué)電容器中都能夠共同存在,其中通過贗電容機(jī)制得到的更大的電容對電容器的比電容值做出了主要貢獻(xiàn),而雙電層電容的貢獻(xiàn)很小[42]。通常,贗電容材料包括金屬氧化物,如釕氧化物[43]、氮化釩[44]、錳氧化物[45]等;導(dǎo)電聚合物,如聚苯胺(PANI)[46]以及雜原子摻雜的碳[47-54]和具有電吸附氫的納米多孔碳[55-59]等。典型的贗電容器的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示,贗電容器與雙電層電容器的組成結(jié)構(gòu)也非常相似,同樣包括集流體和與之相連的電極材料,它們被放置在帶有隔膜的電解質(zhì)溶液中[37]。1.2.3 混合超級電容器(HSCs)
碳納米纖維的制備過程簡單,且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,以及很大的比表面積,也是有應(yīng)用前景的電極材料[100-103]。制備碳纖維的方法很多,有靜電紡絲、濕法紡絲、干法紡絲、溶液吹塑紡絲、凝膠紡絲、離心噴霧紡絲、等離子體誘導(dǎo)合成法、CVD法和水熱合成法等。然而,部分技術(shù)比較復(fù)雜、耗時(shí)和昂貴,降低了所制備的碳纖維的重現(xiàn)性。而靜電紡絲技術(shù)因其簡單、材料特性(直徑、形貌和組成)可調(diào)控,并可以放大用于工業(yè)生產(chǎn)而被廣泛采用[104]。通常,任何具有碳主鏈的聚合物都可以用作靜電紡絲的前體。它們可以分為水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)和聚環(huán)氧乙烷(PEO))和非水性聚合物(聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)和聚氯乙烯(PVC))[105-109]。其中PAN由于其出色的特性,例如高碳產(chǎn)率(>50%)[110]、高柔韌性[111]和環(huán)境友好[112],被公認(rèn)為最實(shí)用的靜電紡絲前體。此外,碳纖維中的多孔結(jié)構(gòu)(即微孔、中孔和大孔)對于柔性超級電容器技術(shù)具有重要影響。Qie等人[113]發(fā)現(xiàn),在充電/放電過程中,微孔碳纖維(<2 nm)會使部分電解質(zhì)離子難以進(jìn)入微孔,從而導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)增大。而中孔(即2-50 nm)碳纖維能夠克服這一離子擴(kuò)散問題,為離子遷移提供更多的空隙,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能[114]。而Lee等人[115]從PAN纖維出發(fā),以SiO2為模板,用KOH活化的微孔/中孔碳纖維具有高達(dá)1796 m2g-1的比表面積,這促進(jìn)了電解質(zhì)離子的快速遷移/擴(kuò)散,顯示出197 F g-1的高比電容。1.3.1.2二維碳材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文編號：2929729
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：134 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖1.4雙電層電容器器件的組成結(jié)構(gòu)示意圖[37]
雙電層電容和贗電容儲能機(jī)制在通常的電化學(xué)電容器中都能夠共同存在,其中通過贗電容機(jī)制得到的更大的電容對電容器的比電容值做出了主要貢獻(xiàn),而雙電層電容的貢獻(xiàn)很小[42]。通常,贗電容材料包括金屬氧化物,如釕氧化物[43]、氮化釩[44]、錳氧化物[45]等;導(dǎo)電聚合物,如聚苯胺(PANI)[46]以及雜原子摻雜的碳[47-54]和具有電吸附氫的納米多孔碳[55-59]等。典型的贗電容器的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示,贗電容器與雙電層電容器的組成結(jié)構(gòu)也非常相似,同樣包括集流體和與之相連的電極材料,它們被放置在帶有隔膜的電解質(zhì)溶液中[37]。1.2.3 混合超級電容器(HSCs)
碳納米纖維的制備過程簡單,且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,以及很大的比表面積,也是有應(yīng)用前景的電極材料[100-103]。制備碳纖維的方法很多,有靜電紡絲、濕法紡絲、干法紡絲、溶液吹塑紡絲、凝膠紡絲、離心噴霧紡絲、等離子體誘導(dǎo)合成法、CVD法和水熱合成法等。然而,部分技術(shù)比較復(fù)雜、耗時(shí)和昂貴,降低了所制備的碳纖維的重現(xiàn)性。而靜電紡絲技術(shù)因其簡單、材料特性(直徑、形貌和組成)可調(diào)控,并可以放大用于工業(yè)生產(chǎn)而被廣泛采用[104]。通常,任何具有碳主鏈的聚合物都可以用作靜電紡絲的前體。它們可以分為水性聚合物(如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)和聚環(huán)氧乙烷(PEO))和非水性聚合物(聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)和聚氯乙烯(PVC))[105-109]。其中PAN由于其出色的特性,例如高碳產(chǎn)率(>50%)[110]、高柔韌性[111]和環(huán)境友好[112],被公認(rèn)為最實(shí)用的靜電紡絲前體。此外,碳纖維中的多孔結(jié)構(gòu)(即微孔、中孔和大孔)對于柔性超級電容器技術(shù)具有重要影響。Qie等人[113]發(fā)現(xiàn),在充電/放電過程中,微孔碳纖維(<2 nm)會使部分電解質(zhì)離子難以進(jìn)入微孔,從而導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)增大。而中孔(即2-50 nm)碳纖維能夠克服這一離子擴(kuò)散問題,為離子遷移提供更多的空隙,從而表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能[114]。而Lee等人[115]從PAN纖維出發(fā),以SiO2為模板,用KOH活化的微孔/中孔碳纖維具有高達(dá)1796 m2g-1的比表面積,這促進(jìn)了電解質(zhì)離子的快速遷移/擴(kuò)散,顯示出197 F g-1的高比電容。1.3.1.2二維碳材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage[J]. Xuli Chen,Rajib Paul,Liming Dai. National Science Review. 2017(03)
本文編號：2929729
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