论文部分内容阅读
为了应对传统能源对环境的负面影响,世界各国都在大力发展新能源技术,因此,对储能系统提出了更高的要求。在众多的储能器件中,超级电容器因其充放电速度快、功率密度高、使用寿命长以及维护成本低等优势,展现出极高的竞争优势。尽管如此,目前已经商用的超级电容器均存在能量密度较低的问题,使其应用场景大大受限。所以在超级电容器领域急需突破的技术难题就是在保留其超大功率密度和极长使用寿命等优势的同时尽可能的提高其能量密度。从超级电容器能量密度的计算公式(E=1/2CV2)中可以看出,应从提高其电极材料的比电容和扩展器件的工作电压两个方面来提高超级电容器件的能量密度。本文主要从优化电极材料的空间结构来促进电解质离子的扩散以及提高材料的导电性等方面入手,以获得具有良好电化学性能的电极材料,从而促使其组成的超级电容器的能量密度得以提升。另外,将制备的电极材料与商用活性炭(Active carbon,AC)组成不对称超级电容器(Asymmetric supercapacitors,ASC)器件,扩大整体器件的工作电压范围,基于以上两点改进来提升超级电容器的能量密度。(1)以模板法合成聚吡咯纳米管(Polypyrrole nanotubes,PNT),随后以化学沉积法将菱形十二面体的钴基沸石咪唑类配位聚合物(ZIF-67)与一维管状结构的PNT相结合,得到PNT@ZIF-67前驱体。经氮气氛围高温碳化后可得到氮掺杂碳纳米管基钴金属复合材料(N-CNT@Co/C),使Co/C纳米颗粒串联在N-CNT上,形成三维网络化结构,表现出良好的循环稳定性和导电性,其比电容在1A g-1时达到215.3 F g-1,10 A g-1时仍保持75.49%的电容值,相较于N-CNT和Co/C具有显著提升,且具有良好的倍率性能,这说明采用三维MOF材料进行结构设计,有助于提升电极材料的电化学性能。这为超级电容器电极材料的结构设计提供了一种较为实用的思路。(2)以PNT@ZIF-67为前驱体,经两次高温处理得到氮掺杂碳纳米管基钴氧化物材料(N-CNT@Co3O4/C),再通过简单的水热法在其表面生长针状氢氧化镍(Ni(OH)2),得到三维网络化分级结构的N-CNT@Co3O4/C@Ni(OH)2复合材料,其比电容高达1344.4 F g-1(电流密度为1 A g-1)。另外,将该材料与AC组成的N-CNT@Co3O4/C@Ni(OH)2//AC ASC器件在850 W kg-1的功率密度下具有57.7 Wh kg-1的能量密度,有望成为可应用的超级电容器的电极材料。(3)以PNT@ZIF-67为牺牲模板,通过简单的溶剂热反应和刻蚀作用,成功合成具有三维网络化结构的PNT@NiCo-LDH纳米笼复合材料(Layered Double Hydroxides,LDH),其质量比电容在 1 Ag-1 时为 1448.2 F g-1。经计算,PNT@NiCo-LDH纳米笼复合材料的电化学性能较NiCo-LDH纳米笼高出31.87%,说明电极材料的微观结构对电化学性能有显著影响。另外,分别将PNT@NiCo-LDH和NiCo-LDH 和商用 AC 组装成 ASC 器件(PNT@NiCo-LDH//AC 和 NiCo-LDH//AC),结果表明PNT@NiCo-LDH//AC表现出更佳的电化学性能,在超级电容器领域也具有较大的应用价值。