基于納米碳及其金屬氧化物復(fù)合電極的超級(jí)電容研究.pdf

1、超級(jí)電容器又稱(chēng)電化學(xué)電容器，它具有壽命長(zhǎng)、安全可靠、儲(chǔ)能大等優(yōu)點(diǎn)，是近十幾年隨著材料科學(xué)的突破而出現(xiàn)的新型儲(chǔ)能元件。進(jìn)入二十一世紀(jì)，電力緊缺，煤炭、石油等能源日趨枯萎，對(duì)于全球經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人類(lèi)生活無(wú)疑產(chǎn)生了較大沖擊。人們開(kāi)始尋找更多的替代能源，關(guān)于如何利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等這些可再生清潔能源引起了越來(lái)越多的關(guān)注。于是，如何儲(chǔ)存這些能量也成為了不容忽視的課題，因此超級(jí)電容器這類(lèi)儲(chǔ)能裝置的研究顯得尤為重要。大力深入開(kāi)展基于超級(jí)電容器的基礎(chǔ)理論和實(shí)

2、際應(yīng)用研究，不僅有其重要的科學(xué)價(jià)值，更重要的是在能量存儲(chǔ)中有著可預(yù)見(jiàn)的廣闊應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是系統(tǒng)地研究了采用化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)和絲網(wǎng)印刷工藝制備的碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)薄膜，以及其與金屬氧化物（ZnO和FexOy）復(fù)合后作為超級(jí)電容器電極的電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 ⑴采用兩種低成本、大面積生產(chǎn)的工藝，即CVD和

3、絲網(wǎng)印刷法來(lái)制備CNT薄膜，測(cè)試并討論了其在液體和凝膠電解質(zhì)中的超級(jí)電容性能。兩種工藝制備的碳管都是以中孔分布為主的無(wú)序纏繞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于雙電層電容的形成。電極在循環(huán)伏安和充放電測(cè)試中都表現(xiàn)出良好的雙電層電容性能及可逆充放電能力，而且在凝膠電解質(zhì)中，電極的性能和比電容大小也接近于在液體電解質(zhì)中的現(xiàn)象，說(shuō)明凝膠電解質(zhì)具有較好的離子導(dǎo)電率，在超級(jí)電容的應(yīng)用領(lǐng)域有一定的潛力。
　　 ⑵采用超聲霧化熱解法在CNT薄膜上沉積ZnO作為復(fù)

4、合材料應(yīng)用于超級(jí)電容的電極，循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)論在液體電解質(zhì)還是凝膠電解質(zhì)中，復(fù)合電極的可逆性較好，表現(xiàn)出了典型的雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容特性。文中討論了ZnO所參與的氧化還原的反應(yīng)機(jī)理，并根據(jù)比電容和能量密度的計(jì)算結(jié)果可知，CNTs與ZnO在樣品沉積5min下表現(xiàn)出了最優(yōu)化的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合電極的電化學(xué)性能最佳。交流阻抗譜分析結(jié)果同樣表明，沉積5min時(shí)復(fù)合電極具有最低的界面電荷傳遞電阻，有利于離子遷移及在ZnO中的脫/嵌過(guò)程。然

5、而，長(zhǎng)時(shí)間沉積后會(huì)導(dǎo)致ZnO比重增大，從而降低復(fù)合電極的導(dǎo)電性和比表面積，同時(shí)也會(huì)抑制氧化還原過(guò)程，減少贗電容。
　　 ⑶采用超聲霧化熱解法沉積FexOy與CNT薄膜復(fù)合，對(duì)于所得到的復(fù)合材料進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試。研究結(jié)果表明，兩組復(fù)合電極在液體和凝膠電解質(zhì)中的循環(huán)伏安曲線基本上呈現(xiàn)出了對(duì)稱(chēng)的近矩形形狀，反映出良好的超級(jí)電容特性；而且在凝膠電解質(zhì)中樣品還能維持較高的充放電電流密度，說(shuō)明電極在其中電化學(xué)性能表現(xiàn)穩(wěn)定。此外，各組樣品

6、的比電容均隨著沉積時(shí)間的增加而先增大后減小，在沉積10min時(shí)達(dá)到最大值；沉積時(shí)間繼續(xù)增大則導(dǎo)致FexOy與CNT團(tuán)聚顆粒增大，破壞CNT原有網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，不利于離子吸附及氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致電容特性降低。
　　 ⑷利用化學(xué)聚合法將聚吡咯與CNTs復(fù)合，作為超級(jí)電容器的電極進(jìn)行研究，結(jié)果表明復(fù)合電極中CNT薄膜仍能維持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，聚吡咯顆粒小且鑲嵌于碳管薄膜中，有利于活性物質(zhì)的利用。在電化學(xué)性能測(cè)試中，復(fù)合電極同時(shí)表現(xiàn)出了雙電層

7、電容和法拉第準(zhǔn)電容特性，反映了CNTs與聚吡咯的協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合電極的比電容隨著凝膠電解質(zhì)中PMA含量的增加而增大，在PVA-PMA-50中的比電容達(dá)到最大值202.5F/g。恒流充放電測(cè)試中電極表現(xiàn)出了良好的可逆充放電性能，比電容及能量密度的變化趨勢(shì)與循環(huán)伏安結(jié)果一致。
　　 ⑸介紹了一種新型碳材料--石墨烯的制備方法，并利用超聲霧化熱解法使ZnO與其復(fù)合，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，與純石墨烯或ZnO電極相比，復(fù)合電極具有理想的可逆充