典型二維電極材料量子電容的第一性原理計算研究
發(fā)布時間：2022-02-13 07:34
雙電層超級電容器中,界面總電容（CT）可以表示為1/CT=1/CQ+1/CD,CD為雙電層電容,CQ為量子電容;雖然界面總電容同時受CQ和CD兩個物理量的制約,但長久以來研究者忽略了CQ的貢獻,導致部分實驗現(xiàn)象無法解釋,對進一步提高界面總電容和能量密度缺乏微觀機制的理解。我們針對雙電層超級電容器儲能低的問題,對一些典型二維材料石墨烯基等雙電層電極材料進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,深入理解了量子電容調(diào)控的物理機制,得到了增強量子電容的方法,為開發(fā)高性能雙電層超電容二維電極材料提供了新思路。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,通過引入摻雜/共摻雜、缺陷、金屬原子及團簇的吸附等對二維電極材料進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實現(xiàn)了對二維材料電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)制,提高了量子電容。我們從原子角度深入理解了二維材料的這些新穎特性,揭示了量子電容產(chǎn)生改變的物理根源,對材料儲能性質(zhì)進行了預測,并與實驗研究進行了比較。所取得的主要...
【文章來源】：吉林大學吉林省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
超級電容器的基本結(jié)構(gòu)示意圖[1]
吉林大學博士學位論文2超級電電容器性能優(yōu)異，功率密度高、維護成本低、循環(huán)壽命長，這使得其在便攜式儲能設(shè)備、電氣化交通設(shè)備等方面應(yīng)用前景巨大。超級電容器和電池相比，其缺點是能量密度低。圖1.2中Ragone圖顯示了不同電化學儲能器件能量密度與功率密度的對比。如圖可知，超級電容器的功率密度遠高于鋰離子電池，最高可達1.5×103W/kg，但其能量密度遠低于鋰離子電池。所以，超級電容器和鋰離子電池各有優(yōu)勢，它們因優(yōu)勢不同而得到不同的實際應(yīng)用。提高超級電容器能量密度，同時保持自身優(yōu)良的功率密度特性，使超級電容器在更多的領(lǐng)域應(yīng)用是當前研究的關(guān)鍵問題。圖1.2各種不同電化學儲能器件功率密度與能量密度的對數(shù)關(guān)系Ragone曲線[2]Figure1.2Ragoneplotshowingthespecificpoweragainstspecificenergyforvariouselectricalenergystoragesystems1.2超級電容器工作原理及分類根據(jù)不同的反應(yīng)機理，超級電容器可分為贗電容電容器、雙電層電容器及混合型電容器三類。雙電層電容是由電極活性物質(zhì)和電解液界面形成的Helmholtz雙電層存儲電荷。離子或者電子在電解液和電極的界面上定向排列形成雙電層。當在兩個電極間施加電場后，電解液中的陰陽離子在電場力作用下向正負極遷移，最終在電極表面形成雙電層。當電極與外電路連通時，電極電荷定向運動而在外電路中產(chǎn)生電流。由此可見，雙電層電容器充放電過程中，離子只是在電解
第1章緒論3液與電極界面區(qū)域快速遷移，利用電極材料的高比表面積進行離子的物理吸附脫附，并沒有涉及到化學反應(yīng)，因此其功率密度高、充放電速度快，且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。而贗電容超級電容器的儲能機制是利用物質(zhì)表面或亞表面的氧化還原反應(yīng)存儲電荷，這與電極活性物質(zhì)的比表面積相關(guān)。故贗電容單位面積電極的電荷存儲能力比雙電層大10-100倍[3,4]。以上兩種電容器的儲能示意圖，見圖1.3�；旌闲碗娙萜魇侵敢在I電容和雙電層電容材料分別作正負電極的超級電容器。圖1.3雙電層超級電容器和贗電容超級電容器儲能示意圖[5]Figure1.3Schematicofchargestorageinsupercapacitors圖1.4傳統(tǒng)平板電容器的示意圖Figure1.4Theschematicillustrationofaparallelplatecapacitor以傳統(tǒng)的平行板電容器作為其最基本的物理模型衍生出了以上兩種超級電容器。圖1.4是平行板電容器的示意圖，兩片電極板平行放置，面積A相等，間距為d，并連接外電路。平行板電容器電極板上聚集異性電荷而產(chǎn)生電容。其計算公式：C=εrεoA/d，其中εo和εr是真空介電常數(shù)和兩極板材料的相對介電常數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]新穎半導體二硫化鉬[J]. 袁明文. 半導體技術(shù). 2013(03)
[2]石墨烯的量子電容[J]. 邱晨光,徐慧龍,張志勇,彭練矛. 物理. 2012(12)
本文編號：3622779
【文章來源】：吉林大學吉林省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：149 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
超級電容器的基本結(jié)構(gòu)示意圖[1]
吉林大學博士學位論文2超級電電容器性能優(yōu)異，功率密度高、維護成本低、循環(huán)壽命長，這使得其在便攜式儲能設(shè)備、電氣化交通設(shè)備等方面應(yīng)用前景巨大。超級電容器和電池相比，其缺點是能量密度低。圖1.2中Ragone圖顯示了不同電化學儲能器件能量密度與功率密度的對比。如圖可知，超級電容器的功率密度遠高于鋰離子電池，最高可達1.5×103W/kg，但其能量密度遠低于鋰離子電池。所以，超級電容器和鋰離子電池各有優(yōu)勢，它們因優(yōu)勢不同而得到不同的實際應(yīng)用。提高超級電容器能量密度，同時保持自身優(yōu)良的功率密度特性，使超級電容器在更多的領(lǐng)域應(yīng)用是當前研究的關(guān)鍵問題。圖1.2各種不同電化學儲能器件功率密度與能量密度的對數(shù)關(guān)系Ragone曲線[2]Figure1.2Ragoneplotshowingthespecificpoweragainstspecificenergyforvariouselectricalenergystoragesystems1.2超級電容器工作原理及分類根據(jù)不同的反應(yīng)機理，超級電容器可分為贗電容電容器、雙電層電容器及混合型電容器三類。雙電層電容是由電極活性物質(zhì)和電解液界面形成的Helmholtz雙電層存儲電荷。離子或者電子在電解液和電極的界面上定向排列形成雙電層。當在兩個電極間施加電場后，電解液中的陰陽離子在電場力作用下向正負極遷移，最終在電極表面形成雙電層。當電極與外電路連通時，電極電荷定向運動而在外電路中產(chǎn)生電流。由此可見，雙電層電容器充放電過程中，離子只是在電解
第1章緒論3液與電極界面區(qū)域快速遷移，利用電極材料的高比表面積進行離子的物理吸附脫附，并沒有涉及到化學反應(yīng)，因此其功率密度高、充放電速度快，且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。而贗電容超級電容器的儲能機制是利用物質(zhì)表面或亞表面的氧化還原反應(yīng)存儲電荷，這與電極活性物質(zhì)的比表面積相關(guān)。故贗電容單位面積電極的電荷存儲能力比雙電層大10-100倍[3,4]。以上兩種電容器的儲能示意圖，見圖1.3�；旌闲碗娙萜魇侵敢在I電容和雙電層電容材料分別作正負電極的超級電容器。圖1.3雙電層超級電容器和贗電容超級電容器儲能示意圖[5]Figure1.3Schematicofchargestorageinsupercapacitors圖1.4傳統(tǒng)平板電容器的示意圖Figure1.4Theschematicillustrationofaparallelplatecapacitor以傳統(tǒng)的平行板電容器作為其最基本的物理模型衍生出了以上兩種超級電容器。圖1.4是平行板電容器的示意圖，兩片電極板平行放置，面積A相等，間距為d，并連接外電路。平行板電容器電極板上聚集異性電荷而產(chǎn)生電容。其計算公式：C=εrεoA/d，其中εo和εr是真空介電常數(shù)和兩極板材料的相對介電常數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]新穎半導體二硫化鉬[J]. 袁明文. 半導體技術(shù). 2013(03)
[2]石墨烯的量子電容[J]. 邱晨光,徐慧龍,張志勇,彭練矛. 物理. 2012(12)
本文編號：3622779
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