混合型超級(jí)電容器關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)及器件構(gòu)造.pdf

1、超級(jí)電容器是一種具有高功率和長(zhǎng)壽命的優(yōu)良儲(chǔ)能器件，在電動(dòng)汽車、現(xiàn)代通訊、航空航天和國(guó)防等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的推廣和應(yīng)用。但是超級(jí)電容器的能量密度較低，如何在保證其高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)的前提下，提高超級(jí)電容器能量密度是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)?；旌闲统?jí)電容器是一種介于電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能器件，它同時(shí)具備超級(jí)電容器和二次電池的特性，可以在大電流密度工作下獲得高的比能量密度。本論文主要是圍繞研制具有高功率密度和能量密度的混合型超級(jí)

2、電容器，在雙金屬氧化物、雙金屬硫化物新型電極材料的可控制備、電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極儲(chǔ)荷機(jī)理以及水系非對(duì)稱超級(jí)電容器的構(gòu)建，和具有高電子和離子導(dǎo)通能力鈦酸鋰的設(shè)計(jì)制備及其在有機(jī)體系離子型超級(jí)電容器的應(yīng)用等方面開(kāi)展了一系列原創(chuàng)性的研究。論文的具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.多殼層雙金屬氧化物空心球的可控合成及超電容特性：溶劑熱法合成雙金屬甘油酸鹽實(shí)心球，在其熱分解過(guò)程中，由于收縮力和粘附力非平衡綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致形成復(fù)雜多殼層空心結(jié)構(gòu)。采用該

3、方法合成的NiCo2O4是由納米顆粒構(gòu)筑的單核雙殼層空心球，具有大的比表面積、較好的結(jié)構(gòu)完整性。更重要的是合成工藝具有普適性，可以用來(lái)制備其它具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物空心球。NiCo2O4電極表現(xiàn)出非常優(yōu)異的超電容特性，在1 A g?1下比電容達(dá)到1141 F g?1；在5 A g?1下循環(huán)4000次對(duì)應(yīng)的容量損失僅為5.3％。以NiCo2O4作正極，活性炭作負(fù)極構(gòu)建了水系非對(duì)稱超級(jí)電容器，其工作電壓范圍是0~1.6 V，在5 m

4、V s?1的掃速下，器件的比電容為95.1 F g?1；在功率密度為380.3 W kg?1時(shí)，能量密度達(dá)到了33.8 Wh kg?1。
　　2.柔性 NiCo2S4自支撐電極的設(shè)計(jì)、制備及超電容特性：在三維碳布基底上生長(zhǎng)鎳鈷納米線陣列，經(jīng)過(guò)離子交換法原位得到NiCo2S4納米管陣列。NiCo2S4納米管/碳布復(fù)合材料可以直接用作超級(jí)電容器的自支撐電極，與傳統(tǒng)粉末電極相比，無(wú)需粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，大大簡(jiǎn)化電極制備工藝，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率

5、特性(20 A g?1時(shí)電容為1004 F g?1)和循環(huán)穩(wěn)定性。構(gòu)建的NiCo2S4//AC非對(duì)稱超級(jí)電容器在功率密度為451.1 W kg?1時(shí)，能量密度為40.1 Wh kg?1。為了進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的能量密度，宏量制備了摻氮碳泡沫(NCF)，可以直接在其三維碳骨架上原位生長(zhǎng)NiCo2S4納米片，直接用作超電容器的電極，具有更高的比電容，在2 A g?1時(shí)比電容達(dá)到了1231 F g?1。組裝了無(wú)任何添加劑的NiCo2S4/N

6、CF//OMC/NCF水系非對(duì)稱超級(jí)電容器，在功率密度為512 W kg?1時(shí)，能量密度達(dá)到了45.5 Wh kg?1。
　　3. Li4Ti5O12/C納米復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究：以CMK-3為模板，采用納米鑄造技術(shù)，成功合成了介孔Li4Ti5O12/C納米復(fù)合材料。在這種“介孔-納米”復(fù)合電極中，Li4Ti5O12納米顆粒嵌入在CMK-3的孔道中，不僅為電子的傳輸提供導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也抑制了Li4Ti5O12納米顆粒在長(zhǎng)

7、時(shí)間煅燒過(guò)程中團(tuán)聚和生長(zhǎng)，同時(shí)有序、連續(xù)的納米孔道為電解液的擴(kuò)散提供了快速通道。介孔 Li4Ti5O12/C納米復(fù)合材料是一種很有前景的鋰離子電容器用負(fù)極材料，其具有優(yōu)異的倍率性能(在8℃下容量為73.4 mAh g?1)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(在2℃下循環(huán)1000次容量損失僅為5.6%)。為了進(jìn)一步提高 Li4Ti5O12的倍率特性，我們提出了一種新穎的、通用制備碳包覆納米電極材料的新技術(shù)。采用金屬有機(jī)前驅(qū)體直接與鋰鹽混合，一步煅燒制備了

8、高導(dǎo)電性的碳包覆納米電極材料。在活性材料的表面包覆一層1~2 nm均勻碳層。Li4Ti5O12/C核/殼納米電極材料表現(xiàn)出卓越的倍率性能，在9℃超大倍率下，容量仍然高達(dá)85.3 mAh g?1。此外該方法具有普適性且制備工藝簡(jiǎn)單，可以制備碳包覆橄欖石型的磷酸鹽鋰離子電池正極材料，同樣具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
　　4.柔性Li4Ti5O12自支撐電極的構(gòu)建及電化學(xué)性能研究：在柔性碳布基底上生長(zhǎng)超薄TiO2納米片并隨后通過(guò)化學(xué)鋰化原位轉(zhuǎn)

9、變?yōu)槎嗫?Li4Ti5O12納米晶。碳布不僅僅支撐活性材料還作為集流體，同時(shí)為電荷傳輸提供了快速通道并避免使用導(dǎo)電材料和粘合劑。因?yàn)閺?fù)合材料具有高電子導(dǎo)電性，有利于電解質(zhì)離子的傳輸且縮短了Li+/e?的傳輸路徑，這種新穎的Li4Ti5O12/碳布電極擁有超快速的離子和電子擴(kuò)散能力，具有優(yōu)異的倍率性能(9℃的充放電倍率下比容量為103 mAh g?1)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　5.氫化Li4Ti5O12納米線陣列及鋰離子電容器的研究

10、：以鈦箔為基底，通過(guò)水熱法制備鈦酸鹽、離子交換以及后續(xù)在還原性氣氛下煅燒制備了氫化 Li4Ti5O12納米線陣列。氫化Li4Ti5O12納米線陣列具有大的比表面積，有利于鋰離子的快速傳輸；可控引入的Ti3+位點(diǎn)增加了電子導(dǎo)電性；電極材料直接與集流體接觸，保證了每根納米線都能快速的參與電化學(xué)反應(yīng)。氫化Li4Ti5O12納米線電極具有高的比容量(0.2 C時(shí)容量為173 mAh g?1)和優(yōu)異的倍率性能(3℃時(shí)容量為121 mAh g?1)