超級電容器因其功率密度高、循環(huán)壽命長以及安全性好等優(yōu)點(diǎn),在儲能領(lǐng)域中占據(jù)不可替代的地位。然而,傳統(tǒng)超級電容器面臨著能量密度低、倍率性能差等問題,同時(shí)高性能電動(dòng)汽車及電子設(shè)備等對超級電容器的循環(huán)穩(wěn)定性提出更高要求。開發(fā)超級電容器新型電極材料是解決上述問題的關(guān)鍵之一。此外,電極材料在制備過程中導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的使用,進(jìn)一步降低其能量密度。因此,構(gòu)筑和優(yōu)化無導(dǎo)電劑、無粘結(jié)劑的薄膜電極材料,實(shí)現(xiàn)超級電容器能量密度、倍率性能和循環(huán)性能的提升,逐漸成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。二維材料因比表面積大、活性位點(diǎn)多、離子傳輸路徑短、機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn),成為超級電容器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。MXene是一類新型二維過渡金屬碳/氮化物,兼具親水性和導(dǎo)電性,其層間距、成分與表面官能團(tuán)可調(diào),且易組裝成自支撐薄膜直接作為電極使用,使得MXene在發(fā)現(xiàn)之初就在儲能領(lǐng)域尤其是超級電容器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而,MXene的成分可調(diào)性還有待進(jìn)一步挖掘;MXene表面難以避免的官能團(tuán),會一定程度上降低其電導(dǎo)率;MXene的二維結(jié)構(gòu)易發(fā)生塌陷和堆垛,降低離子/電子遷移速率,影響電化學(xué)性能。因此,如何克服上述問題,加速M(fèi)Xene在超級電容器領(lǐng)域... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

超級電容器的發(fā)展史[3]

東南大學(xué)博士學(xué)位論文21.1.2超級電容器分類按照電極材料的充放電機(jī)理，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容電容器兩類，如圖1-2所示為不同類型超級電容器的儲能機(jī)理示意圖。雙電層電容器是利用正負(fù)離子分別吸附在固體電極和電解液之間的表面，造成固體電極之間電勢差，從而實(shí)現(xiàn)能量的存儲[8]。其儲能過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)且該過程完全可逆，因此雙電層電容器具有良好的可逆性、較高的功率密度以及較長的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)殡p電層電容器的儲能過程沒有化學(xué)反應(yīng)，所以其比容量較低。贗電容是利用電極活性物質(zhì)表面或近表面反生的可逆化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)等法拉第過程產(chǎn)生的電容[9]。贗電容根據(jù)反應(yīng)機(jī)理可進(jìn)一步分為：欠電位沉積、氧化/還原反應(yīng)和插層贗電容[3]。由于電極反應(yīng)涉及到化學(xué)反應(yīng)過程，贗電容電極材料的比容量是雙電層電極材料的10-100倍，因此具有較高的能量密度。但由于法拉第過程進(jìn)行較為緩慢且不僅僅是發(fā)生在電極表面，故贗電容電容器一般存在功率密度較低和循環(huán)性能較差等缺點(diǎn)。圖1-2不同類型超級電容器的儲能機(jī)理：(a)雙電層；(b-d)三種不同類型的贗電容，其中(b)為欠電位沉積，(c)為氧化/還原反應(yīng)，(d)為插層贗電容[3]Figure1-2Schematicsofcharge-storagemechanismsfor(a)EDLCand(b-d)differenttypesofpseudocapacitiveelectrodes:(b)underpotentialdeposition,(c)redoxpseudocapacitor,and(d)ionintercalationpseudocapacitor[3].Copyright2014,RoyalSocietyofChemistry1.1.3超級電容器電極材料概況超級電容器由電極材料（正極和負(fù)極）、電解液、隔膜以及集流體組成。電極材料是決定超級電容器性能的關(guān)鍵因素之一，因此其制備與性能優(yōu)化是超級電容器領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。碳材料是研究最早、最為廣泛

東南大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1-3M2AX，M3AX2和M4AX3晶體結(jié)構(gòu)示意圖[36]Figure1-3SchematicsofM2AX,M3AX2andM4AX3crystalstructures[36].Copyright2017,WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim1.2.2MXene的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)MXene與其母相MAX相一樣，均為密排六方結(jié)構(gòu)，且保持面內(nèi)有序排列。M原子的數(shù)量不同，其排列方式有一定差異，例如M2X中M原子按照ABABAB（密排六方）形式排列，而M3C2和M4C3中M原子按照ABCABC（面心立方）順序排列[28]�？涛g制備的MXene表面一般含有-OH、-O和-F等官能團(tuán)，且這些官能團(tuán)呈隨機(jī)分布狀態(tài)。目前，對MXene的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)多采用第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法預(yù)測和表征。例如Tang等[37]假設(shè)MXene無缺陷、其表面官能團(tuán)唯一且均勻分布，采用兩種方法預(yù)測了MXene的結(jié)構(gòu)。接著，研究人員利用透射電鏡中電子能量損失譜[38,39]、中子散射[40]和核磁共振譜[41,42]研究了Ti3C2和V2C兩種MXene的表面官能團(tuán)，確認(rèn)了MXene表面官能團(tuán)為隨機(jī)分布。雖然可以采用一定的后處理手段獲得帶有特定官能團(tuán)的MXene，但相關(guān)報(bào)道很少[43]。-OH、-O和-F等官能團(tuán)的存在顯著影響MXene的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，例如能夠增加MXene的親水性、降低導(dǎo)電性等[26]。密度泛函理論表明未含有官能團(tuán)的MXene表現(xiàn)出金屬導(dǎo)體的性質(zhì)，而含有官能團(tuán)的MXene則表現(xiàn)出半導(dǎo)體的性質(zhì)，且不同種類的MXene具有不同的帶隙[44]。理論預(yù)測表明無官能團(tuán)的MXene具有一定的磁性，例如Cr2C、Cr2N[45]和Ta3C2[46]顯鐵磁性。然而，當(dāng)MXene表面含有官能團(tuán)時(shí)，其磁性就會降低甚至消失。另外，MXene具有良好的力學(xué)性能。計(jì)算表明MXene沿基面拉伸時(shí)具有很高的彈性模量和彎曲強(qiáng)度，與典型過渡金屬碳化物的值相當(dāng)，優(yōu)于多層

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Porous and free-standing Ti3C2Tx-RGO film with ultrahigh gravimetric capacitance for supercapacitors[J]. Yongzheng Fang,Bowen Yang,Dongtong He,Huipeng Li,Kai Zhu,Lin Wu,Ke Ye,Kui Cheng,Jun Yan,Guiling Wang,Dianxue Cao.  Chinese Chemical Letters. 2020(04)
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[3]石墨烯及其納米復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極的研究進(jìn)展[J]. 陳堅(jiān),徐暉.  材料導(dǎo)報(bào). 2017(09)
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博士論文
[1]超級電容器活性炭電極材料的孔徑調(diào)控和表面改性[D]. 劉亞菲.同濟(jì)大學(xué) 2008



本文編號：3348401