水系超級電容器電極材料的制備、表征與電化學(xué)性能研究.pdf

1、化石燃料廣泛使用使得全球經(jīng)濟(jì)迅速增長，同時也帶來了兩問題。一是加速了化石燃料的耗盡，二是帶來了環(huán)境問題，如加速了溫室氣體的排放、導(dǎo)致了水和空氣的污染。如何在可持續(xù)發(fā)展下開發(fā)新的清潔能源是世界各地共同關(guān)心的主要問題，也是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。為了實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和使用清潔的可再生能源，人類社會離不開發(fā)展和使用先進(jìn)能源存儲技術(shù)。如今世界大部分國家使用的可再生的清潔能源都是依賴太陽能、風(fēng)力和其他可再生能源。但是，這些能源的輸出為氣象條件、地

2、域以及時間等因素所限制，并且發(fā)生某些地區(qū)能源過剩而有些地區(qū)能源不足的情況，因此，有必要開發(fā)能量儲存及轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。電池，燃料電池，和電化學(xué)超級電容器被公認(rèn)為是三種最重要的電化學(xué)儲存和轉(zhuǎn)換設(shè)備。
　　超級電容器學(xué)術(shù)上也叫電化學(xué)電容器。由于該裝置具有在數(shù)秒內(nèi)進(jìn)行完全充放電、其循環(huán)性能極好、而且功率密度高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起廣泛的關(guān)注。按照儲能機(jī)理的不同，分為：
　　1）雙電層電容器，該類型電容器儲能原理是通過在電解質(zhì)與電

3、極之間的界面上所形成的雙電層電容，因而具有很高的功率密度和極好的循環(huán)性能；
　　2）拉第贗電容器，該類型電容器儲能原理是表面或其附近發(fā)生的迅速可逆離子嵌入/脫出或氧化還原反應(yīng)；
　　3）混合型超級電容器，該類型電容器的兩個電極采用的儲能機(jī)理是不同的，其中一個電極選用非雙電層電容類電極材料如金屬氧化物，另外一個電極選用雙電層電容類的電極材料如活性炭。
　　影響綠色儲能器件電化學(xué)性能的主要因素有電極材料與電解液，以及它們之

4、間的匹配關(guān)系。相比有機(jī)電解質(zhì)溶液，水溶液作為電解質(zhì)的超級電容器在能源存儲系統(tǒng)有著更重要的角色。例如，使用水系電解液與有機(jī)系電解液相比，具有高離子導(dǎo)電性，因而具有更好的功率密度。此外，水系電解液相比有機(jī)電解液還具有價格便宜、環(huán)境污染小、安全性能好以及操作更加方便等優(yōu)勢。綜上所述，水系電解液相比有機(jī)電解液更適合作為超級電容器的電解液。本篇論文主要對水系超級電容器電極材料的制備、表征和電化學(xué)性能研究，主要工作如下：
　　本工作研究重心圍

5、繞在制備和研究適合于水系超級電容器的電極材料，并對目前廣泛研究的一些電極材料進(jìn)行改進(jìn)，在提高材料能量密度的同時改善其循環(huán)性能等。
　　本論文的研究內(nèi)容與結(jié)果主要包括以下3部分：
　　(1)用常規(guī)的溶液反應(yīng)制備MOF-5，并使其在高溫下發(fā)生碳化得到具有高比表面積的多孔碳（PC）材料。BET測試表明該多孔碳具有高達(dá)2618.7m2 g-1的比表面積以及豐富的孔。以該P(yáng)C為電極材料，其單電極比電容可達(dá)到148.8F g-1在電流密

6、度5Ag-1的時候，甚至電流密度為50Ag-1的時候，其比電容依然高達(dá)136.6F g-1。當(dāng)我們使用PVA/Na2SO4凝膠作為電解液組裝了PC/Na2SO4/PVA/PC對成型超級電容器后，發(fā)現(xiàn)該電容器在0～1.8V的電壓窗口下具有良好的充放電循環(huán)性能，在10A g-1的電流密度下充放電循環(huán)10000次比電容僅損失5.2％?；赑C/Na2SO4/PVA/PC對成型超級電容器在449.9W kg-1的功率密度下，能量密度分別有17.

7、37Wh kg-1，當(dāng)功率密度增加至13516.4W kg-1時，能量密度依然為8.26Wh kg-1。
　　(2)水熱法合成了NiO@CNT納米復(fù)合材料，以NiO@CNT為正極材料、活性炭為負(fù)極，在6mol L-1 KOH作為電解液的水溶液中組裝了一種高能量密度和功率密度的混合型超級電容器。該電容器的充放電窗口為0～1.4V，其能量密度到達(dá)52.6Wh kg-1。該電容器在10A g-1的大電流密度下進(jìn)行可逆的充放電循環(huán)，經(jīng)過1

8、000次循環(huán)后電容保持率為88%。這主要是歸功于在循環(huán)過程中CNT提供一個很好的基底支撐NiO是的其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。
　　(3)制備PPy@MoO3/rGO復(fù)合材料。該復(fù)合材料在2mol L-1 KOH水溶液中表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。研究表明，PPy@MoO3/rGO納米復(fù)合物比未與石墨烯復(fù)合的PPy@MoO3具有更高的容量性能和更小的等效串聯(lián)電阻。PPy@MoO3/rGO納米復(fù)合材料在電流密度為500mA g-1時，其比電容