高比能量鋰離子電容器的構(gòu)筑及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電容器作為一種新型不對(duì)稱電容器，通過(guò)引入鋰離子電池電極材料提高能量密度，同時(shí)繼承了超級(jí)電容器高功率密度，高循環(huán)穩(wěn)定性和充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件、電動(dòng)汽車(chē)和能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。但相比鋰離子電池，鋰離子電容器的能量密度仍有較大的提升空間。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高鋰離子電容器的能量密度，新型鋰離子電容器體系的開(kāi)發(fā)和相關(guān)電極材料的設(shè)計(jì)合成一直備受工業(yè)和科研界關(guān)注。本文以構(gòu)筑新型高能量密度鋰離子電容器為目的，根據(jù)能量密度

2、的計(jì)算公式E=1/2CV2，從提高比容量和擴(kuò)寬電壓窗口兩個(gè)方面入手，通過(guò)調(diào)控電極材料的微觀結(jié)構(gòu)改善其性能，具體內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:
　　(1)在多孔炭//鈦酸鋰型鋰離子電容器體系中，多孔炭正極限制了電容器的比容量，多孔炭的孔結(jié)構(gòu)是決定其電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。本章研究多孔炭正極孔道結(jié)構(gòu)（比表面積、孔體積）對(duì)三電極體系下的比容量和鋰離子電容器整體電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，孔體積是影響鋰離子電容器整體比容量的主要因素。三種介孔炭的孔

3、體積在2.4～4.3cm3g-1，基于介孔炭正極的鋰離子電容器比容量在26～39Fg-1，普遍高于微孔炭和微孔-介孔炭鋰離子電容器的比容量(15～29Fg-1)。其中，介孔炭鋰離子電容器Me-2//LTO比容量最高，在電流密度0.5Ag-1下可達(dá)39Fg-1，能量密度可達(dá)58Wh kg-1。
　　(2)為進(jìn)一步提高多孔炭正極的孔道利用率和倍率性能，設(shè)計(jì)合成一種厚度和孔道結(jié)構(gòu)可控的納米炭片。以合成的納米炭片為正極，鈦酸鋰為負(fù)極構(gòu)筑鋰

4、離子電容器。通過(guò)研究炭材料正極在鋰離子電容器充放電過(guò)程中的分步吸脫附行為和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，證明納米炭片的比表面積利用率和離子擴(kuò)散速率均高于本文中其它微孔炭和介孔炭材料，歸因于納米炭片獨(dú)有的薄片結(jié)構(gòu)能夠形成開(kāi)放的孔道結(jié)構(gòu)和縮短的擴(kuò)散路徑。該鋰離子電容器在0.5Ag-1下比容量為55Fg-1。在1Ag-1下，循環(huán)3000次容量保持率可達(dá)到88％，能量密度可達(dá)77Wh kg-1，功率密度可達(dá)3409Wkg-1。
　　(3)為擴(kuò)寬電壓窗口，引

5、入低電極電位的金屬氧化物-炭復(fù)合材料為負(fù)極。采用原位水解法制備有序介孔炭負(fù)載納米SnO2復(fù)合材料，將制備的SnO2-C作為負(fù)極構(gòu)筑鋰離子電容器，電壓窗口可達(dá)0.5～4.0V。通過(guò)交流阻抗和離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算，揭示了負(fù)極SnO2負(fù)載量對(duì)電化學(xué)性能的影響規(guī)律。SnO2負(fù)載量的提高有利于獲得更高的初始容量，但不利于提高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。其中，SnO2負(fù)載量為57wt％的樣品在循環(huán)過(guò)程中能夠保持較高的離子擴(kuò)散速率和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。該鋰離子

6、電容器0.1Ag-1下的比容量可達(dá)66Fg-1，能量密度可達(dá)110Wh kg-1，最大功率密度為2960Wkg-1，1Ag-1下循環(huán)2000次容量保持率為80％。
　　(4)為進(jìn)一步提高正極比容量，在多孔炭正極中引入高理論容量的單質(zhì)硫，利用硫的氧化還原反應(yīng)提高正極比容量，設(shè)計(jì)制備了一種新型高能量密度鋰離子電容器。并采用電化學(xué)沉積法在正極表面包覆聚苯胺，提高電子導(dǎo)電性，同時(shí)抑制硫的穿梭效應(yīng)，提高循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測(cè)試表明，單質(zhì)硫的引