有機(jī)碳/碳超級(jí)電容器雖然具有寬的電壓窗口和高的能量密度,但有機(jī)電解液存在安全隱患并可能對(duì)環(huán)境造成污染,因此,人們一直在探索更為安全、環(huán)保的超級(jí)電容器體系。水系碳/碳超級(jí)電容器因具有安全環(huán)保、成本低廉等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛關(guān)注。但是,由于受到電解液中溶劑水低穩(wěn)定電勢(shì)（<1.23 V）的制約,低工作電壓窗口限制了水系碳/碳超級(jí)電容器能量密度的提升。增加碳電極的析氫和析氧過電勢(shì)能擴(kuò)大電極電勢(shì),從而拓寬水系碳/碳超級(jí)電容器的工作電壓窗口。在本論文中,圍繞提升碳電極的析氫和析氧過電勢(shì)進(jìn)而提高水系碳基超級(jí)電容器的穩(wěn)定工作電壓窗口這一核心,我們提出了碳電極表面物化性質(zhì)調(diào)控策略。首先,基于碳材料表面官能團(tuán)類型和含量調(diào)控策略,調(diào)控電極表面性質(zhì),優(yōu)化碳電極電荷存儲(chǔ)能力。在混酸溶液中,使用電化學(xué)氧化法,將活性官能團(tuán)嫁接在碳纖維布表面,制備出富含氮/氧官能團(tuán)的碳纖維布電極,碳纖維布的比表面積和孔體積也得到了提升。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù),獲得電化學(xué)性能最優(yōu)的碳纖維布電極。其表現(xiàn)出寬的電勢(shì)范圍（-1⁰ V和0⁰.8 V）、高的面積比容量、良好的倍率特性和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：111 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

（a）英國倫敦市霧霾光學(xué)照片，（b）中國北京市霧霾光學(xué)照片，圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文碳電極表面性質(zhì)調(diào)控及其在水系高電壓窗口超級(jí)電容器中的應(yīng)用2窗口V是提高其能量密度的有效措施之一。圖1-2超級(jí)電容器能量密度和功率密度與各類電池的比較（Ragone曲線）[3-5]目前，商用的超級(jí)電容器使用有機(jī)電解液來獲得更高的電壓窗口。但是，有機(jī)電解液低的離子電導(dǎo)、高的成本、可能的環(huán)境污染等缺點(diǎn)為超級(jí)電容器的大規(guī)模商用埋下了隱患。近些年來，作為候選者的水系電解液受到了研究者的青睞。[7,8]但是，電解液中水溶劑窄的穩(wěn)定電勢(shì)范圍限制了超級(jí)電容器的電壓窗口。[9]因此，拓寬水系超級(jí)電容器的工作電壓窗口則成為提高其能量密度的關(guān)鍵措施之一。1.1超級(jí)電容器簡(jiǎn)介超級(jí)電容器由電極、電解液、隔膜、封裝材料等構(gòu)成（圖1-3）。電極對(duì)超級(jí)電容器的比容量大小起到?jīng)Q定性作用。電極通常由電活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、導(dǎo)電集流體等通過涂覆工藝制備而成，電活性材料一般是固體粉末，有碳材料、金屬氧化物/氮化物/磷化物/氫氧化物和導(dǎo)電聚合物等[10,11]；電極也可以通過直接將電活性物質(zhì)生長(zhǎng)在導(dǎo)電集流體表面制備，避免粘結(jié)劑對(duì)電極性能的影響；電極也可以是一體化自支撐的，例如，還原氧化石墨烯薄膜電極既是導(dǎo)電集流體又是電活性物質(zhì)。正負(fù)極之間注入電解液，為離子/溶劑化離子的傳輸提供介質(zhì)通道。電解液決定著超級(jí)電容器電壓窗口的大小，不同類型的電解液具有不同的電勢(shì)區(qū)間。隔膜置于正負(fù)電極之間電解液之中，以避免因正負(fù)極直接接觸而導(dǎo)致短路。隔膜必須能保證離子的順利傳輸，同時(shí)還需是電化學(xué)惰性。在有外加電壓（充電）/負(fù)載（放電）的情況下，電解液中的離子/溶劑化的離子在電極/電解液界面吸附（充電）/脫附（放電）或發(fā)生可逆的法拉第反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和釋放（圖1-4）。[12,13]通過電解?

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文碳電極表面性質(zhì)調(diào)控及其在水系高電壓窗口超級(jí)電容器中的應(yīng)用3石墨烯等作為電活性材料；通過在電極表面/表層以可逆法拉第反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和釋放的屬于贗電容，一般以金屬化合物為電極材料，如二氧化錳、氧化釕等過渡族金屬氧化物/氫氧化物。圖1-3超級(jí)電容器構(gòu)成示意圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）圖1-4（a）雙電層電容器和（b）贗電容器電荷存儲(chǔ)機(jī)制示意圖[12,13]1.1.1非水系超級(jí)電容器如上所述，超級(jí)電容器低的能量密度限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。近些年來，大量的研究工作主要集中在提高電極亦即器件的比容量C，各類電極材料的比容量都有了很大的改善，繼續(xù)通過提升電極比容量來改善器件的能量密度越來越困難。我們知道，能量密度E和電壓窗口V的平方成正比，而與比容量C是線性正比關(guān)系，因此，若通過拓寬電壓窗口來提升能量密度則更為有效。電容器的電壓窗口主要由電解液的穩(wěn)定電勢(shì)窗口所決定，而電解液有有機(jī)電解液、離子液體電解液、水系電解液等，不同的電解液有不同的穩(wěn)定電勢(shì)窗口。電極表面性質(zhì)和器件構(gòu)型也對(duì)電壓窗口有一定的影響。


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