【摘 要】
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随着人们对电子产品小型化、便捷化日益增长的迫切需求,电子元器件微型化是一种必然趋势。作为目前市场上商业化最广泛的电容器,铝电解电容器(AEC)被用于交流滤波电路。然而,AEC在制作过程中往往通过卷绕成柱来提高其容量,大体积、低容量的特点限制了AEC在轻量化电子元件中的发展。超级电容器(SCs)作为一种新兴的储能器件,较之AEC拥有高比容量、小体积占有量等特点。但是传统电化学电容器无法满足快速离子扩
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随着人们对电子产品小型化、便捷化日益增长的迫切需求,电子元器件微型化是一种必然趋势。作为目前市场上商业化最广泛的电容器,铝电解电容器(AEC)被用于交流滤波电路。然而,AEC在制作过程中往往通过卷绕成柱来提高其容量,大体积、低容量的特点限制了AEC在轻量化电子元件中的发展。超级电容器(SCs)作为一种新兴的储能器件,较之AEC拥有高比容量、小体积占有量等特点。但是传统电化学电容器无法满足快速离子扩散和频率响应的能力,限制了其在交流滤波领域的应用。同时经过对目前该领域的调研,在高扫速下拥有快速响应能力,并具有优异离子扩散及高倍率性能的SCs仍具有研究的价值。因此,开发可以应用于交流滤波领域的SCs迫在眉睫。碳纳米洋葱(CNOs)作为准零维碳纳米材料,其结构是一种同心石墨层包裹的球形结构,由于其自身的曲率有利于电荷吸附/脱附以及具有高频响应能力,具备在高频交流滤波领域中的应用潜力,因此具有很大的研究意义。在本文中,通过热分解法分别制备了尺寸分别为5.6/9.9/12.6 nm的CNOs前驱体,然后通过碳化、酸处理和高温石墨化首次制备了石墨层厚度可控的互联有序介孔CNOs,石墨层层数分别为4-5层,7-8层,10-11层。接着通过电泳沉积在金属集流体表面形成CNOs颗粒膜作为电极。粘结剂将CNOs粘附在金属集流体表面,并且由于金属集流体和高度石墨化的CNOs有良好的导电性以及互联介孔结构的存在,有效缓解了由于界面电阻太大而造成的电荷转移阻碍现象,对不同沉积条件制备的SCs通过EIS进行分析,得到了电泳沉积的最优条件。经过组装对称SCs对不同尺寸CNOs进行分析,发现使用尺寸为5.6 nm CNOs前驱体制备的CNOs-5.6作为活性材料具有最优异的电化学性能,这得益于CNOs-5.6大的比表面积、更薄的石墨层和更大的外表面正曲率,外表面高曲率有利于电解质离子在材料表面吸附/脱附。基于CNOs-5.6 SCs等效串联电阻为0.6Ω;在120Hz频率时,拥有326.4μF cm-2面积比容量和-79.7°阻抗相位角,RC时间常数为0.26 ms;在扫速为2000 V s-1时,仍然可以进行快速充放电,表明了其有快速响应能力;在0.1 m A cm-2电流密度下,其容量可达0.94 m F cm-2,且在电流密度为0.7 m A cm-2时,其容量保持率达到89.4%。在0.2 m A cm-2电流密度下经过50,000次循环,还可达到99%电容保持率,库伦效率维持在100%,均显示其具有良好的储能性能。本文最后展示了CNOs基SCs在交流滤波应用中的实际测试,结果表明其完全可以将60 Hz的交流电信号过滤为直流信号。本文的测试结果证实了互联有序介孔CNOs结构在交流滤波中的可行性,并展示了其优异的电化学性能。为CNOs在交流滤波中的应用起到了一定的推动作用。
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