论文部分内容阅读
钠离子混合电容器结合电池和超级电容器的各自优势,在高能量和高功率储能方面引起了广泛的关注。高性能钠离子混合电容器构建的关键难点在于平衡阳极中迟缓的法拉第反应与阴极中快速的非法拉第吸附/脱附过程之间的动力学差异。其中有效的措施包括:对电极材料的纳米化以及寻找具有更大晶格间距的赝电容行为材料。过渡金属氧化物作为钠离子电池和钠离子混合电容器的负极材料已经引起了广泛的关注。本论文讨论了两种过渡金属氧化物,Nb205和TiO2,并且系统的研究了各自的钠离子半电池的性能,以及作为负极和商业活性炭正极组成的钠离子混合电容器的电化学性能。论文的主要研究内容和结果如下:(1)基于五氧化二铌和活性炭的钠离子混合电容器:通过水热和离子交换,制备了正交晶系Nb2O5纳米线(T-Nb2O5 NWs)。在0.25 C时,充电容量可以达到273 mAh g-1,库伦效率为34.2%。当达到10 C时,依旧可以达到125 mAh g-1的充电容量。此外,同时对T-Nb2O5 NWs电极进行了 10 C,1000圈的深度循环。值得注意的是,在循环过程中,依旧可以保持95.2-98.6 mAh g-1的稳定容量,而不会发生明显的容量衰减。以T-Nb2O5 NWs负极和活性炭正极构成的钠离子混合电容器表现出了高的能量/功率密度(106.2 Wh kg-1/78.3 W kg-1 和 47 Wh kg-1/4976 W kg-1),在 1.0-4.3 V的电压区间内具有稳定的循环寿命。而且,以得到的T-Nb2O5 NWs作为负极组装而成的柔性钠离子混合电容器,在变形条件下展现出了不错的性能。更重要的是,通过将我们的柔性钠离子混合电容器与压力传感器相结合,设计了一个自供电可穿戴传感器复合器件。(2)基于石墨烯包覆五氧化二铌和活性炭的钠离子混合电容器:结合课题组的前期在等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)技术应用方面的积累,通过PECVD在T-Nb2O5 NWs表面原位包覆超薄石墨烯(Gr-Nb2O5),同时进行缺陷调控,确保了石墨烯包覆层的高电子导电性以及离子的高效传输。在10 C和20 C高倍率下,对Gr-Nb2O5电极进行了长循环。在10 C时容量稳定在153-171 mAh g-1,20 C时容量保持在133-147 mAh g-1,循环过程中没有发生明显的衰减。我们的Gr-Nb205//AC混合电容器最高能量密度为112.9 Wh kg-1,此时的功率密度为80.1 W kg-1。最高功率密度为5330 W kg-1,此时混合电容器能得到一个较高的能量密度62.2 Wh kg-1。我们将制成的Gr-Nb205负极和商业活性炭正极组成了一个可弯折的钠离子混合电容器器件,在不同变形条件下,经过不同的弯折释放循环,表现出稳定持久的电化学性能。(3)基于石墨烯包覆二氧化钛和活性炭的钠离子混合电容器:通过油浴法和离子交换制备了超长TiO2纳米管。结合PECVD,在TiO2表面原位包覆超薄石墨烯(Gr-TiO2)。在5C和20 C下,Gr-TiO2具有较好的循环稳定性,5C时容量稳定在110-125 mAh g-1,20 C时容量保持在95-100 mAh g-1。以Gr-TiO2负极和活性炭正极构成的钠离子混合电容器最高能量密度为71.59 Wh kg-1,此时的功率密度为72.2 W kg-1。最高功率密度为2216 W kg-1,此时混合电容器能得到一个较高的能量密度31.39 Wh kg-1。