【摘 要】
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超级电容器作为超大功率的电化学储能器件已被广泛用于各个领域,例如混合动力汽车、便携式电动工具等。但其相对较低的能量密度仍旧是阻碍超级电容器进一步发展的重要因素。电压窗口作为直接影响超级电容器能量密度的因素而受到研究者们的广泛关注。目前,电压窗口的拓宽主要从电解质溶液,电极材料和两电极匹配三方面进行,其中两电极匹配,尤其是针对赝电容材料之间的电极匹配研究较少。本论文通过为正极材料匹配不同赝电容负极材
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超级电容器作为超大功率的电化学储能器件已被广泛用于各个领域,例如混合动力汽车、便携式电动工具等。但其相对较低的能量密度仍旧是阻碍超级电容器进一步发展的重要因素。电压窗口作为直接影响超级电容器能量密度的因素而受到研究者们的广泛关注。目前,电压窗口的拓宽主要从电解质溶液,电极材料和两电极匹配三方面进行,其中两电极匹配,尤其是针对赝电容材料之间的电极匹配研究较少。本论文通过为正极材料匹配不同赝电容负极材料,探究两电极匹配对非对称超级电容器的电压窗口、比电容、能量密度与功率密度等方面参数的影响。此外,从电极材料功函数角度对非对称超级电容器电压窗口的拓宽机理方面进行了研究。具体研究内容如下:首先通过简易的原位氧化还原的方法制备了高性能纳米碳@K0.5Mn2O4正极材料,并选取四种金属氧化物Mo O3、Fe2O3、V2O5、WO3作为负极材料。单电极研究发现,在1 A g-1电流密度下,正极材料在1 M Na2SO4电解质溶液中具有约300 F g-1的高比电容和高达1.2 V的稳定电压窗口。四种不同负极材料在电压窗口方面差别不大,其中Mo O3与V2O5电压窗口略低于Fe2O3和WO3。其次,将纳米碳@K0.5Mn2O4正极材料与所选的负极材料分别组装成四组非对称超级电容器器件并对其储能性能进行了研究。研究发现在1 M Na2SO4电解质溶液中,以Mo O3为负极的非对称超级电容器性能最优。其在5.95 k W kg-1的功率密度下能量密度为66.7 Wh kg-1,并表现出2.42 V稳定电压窗口。而以V2O5、Fe2O3、WO3为负极的非对称超级电容器电压窗口分别为2.4 V、2.3 V、2.2 V。利用开尔文探针力显微镜,从两电极材料之间的功函数角度对产生上述电压窗口差异的原因进行了研究。研究发现,对于赝电容电极材料,两电极的功函数差异越大,所得器件的稳窗口越大,而拓宽电压窗口使得非对称超级电容器器件的能量密度得到显著提升。
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