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超级电容器(supercapacitors)又称电化学电容器,是基于多孔碳或金属氧化物和氢氧化物等高比表面积材料,通过电极-电解液界面的静电吸附或电极材料的氧化还原反应进行充放电的一类特殊电容器。超级电容器具有高功率密度、快速充放电和长寿命等特点,在军事、交通运输、航空航天等领域均有广泛的应用前景。但是其能量密度低,为了解决这个问题,需要选择比容量较高的电极材料并且对其纳米化,其次,可以组装非对称电容器拓宽电位窗口。水滑石类层状氢氧化物来源丰富、易合成、有氧化还原活性位点且成本较低,具有独特的二维层状-孔道结构,可同时利用双电层电容和法拉第电容两种储能机制。一方面,这类材料可以作为模板合成双电层电容器多孔碳材料;另一方面,也可以直接作为超级电容器电极材料。但是,它本身是半导体,直接作为电极材料时,较低的导电性会使其倍率特性和循环稳定性大大降低,限制了其实际应用。因此,将导电性高的电极材料和层状氢氧化物进行结合,利用二者的协同效应,可以进而实现优异的电化学性能。而三维结构的电极材料不仅可以提高活性利用率,还可以加快电子和离子传输速率。本论文围绕层状氢氧化物构筑了三维结构的电极材料,首先,以层状氢氧化物为模板合成三维多孔碳,其次是将层状氢氧化物与导电基质复合形成三维复合电极材料,并进行超电容行为的研究,实现能量密度与功率密度最大化。具体如下:(1)使用层状水滑石类碱式硝酸锌(ZHN)作为硬模板,利用ZHN的空间限域作用,通过阴离子交换,在ZHN模板层间插层没食子酸(GA)阴离子,惰性气氛下进行高温碳化,去除模板后得到由纳米片构成的三维有序多孔碳(PCNs),再利用氢氧化钾将PCNs进一步化学活化,得到活化的PCNs(aPCNs)。aPCNs独特的三维结构,大的比表面积(1138.8 m2 g(-1))和合理的孔道分布能够缩短离子传输距离,利于电解液的存储及提高离子可接近比表面积。aPCNs作为双电层电容器电极材料表现出优异的电化学性能。在0.5 A g(-1)电流密度下,aPCNs的比电容为327 F g(-1)。在20 A g(-1)的电流密度下,容量保持率可达60.2%。在电流密度为10 A g(-1)的电流密度下进行20000次充放电测试后,容量仍然保持96%。基于aPCNs电极组装对称电容器,在功率密度为301 W kg(-1)时能量密度高达10.2 Wh kg(-1)。(2)利用剥离的过渡金属碳化钛(e-MXene)作为导电基质,通过液相沉积的方法制备了三维多孔e-MXene/镍铝双氢氧化物(MXene/NiAl-LDH)复合物。NiAl-LDH均匀沉积在e-MXene的表面构成三维多孔结构,该结构不仅有利于增大有效活性比表面积和电解液离子的渗透,而且还可以减缓NiAl-LDH在充放电过程中的体积变化。同时,e-MXene提供的导电网络能够加快电子传输。利用e-MXene和NiAl-LDH的协同效应增强复合物的电化学性能。通过调控e-MXene的含量,最优MXene/NiAl-LDH比例的复合电极材料在1 A g(-1)电流密度下,比容量达到1061 F g(-1)。当电流密度增大到10 A g(-1)时,比容量仍保持在556 F g(-1)。在电流密度为4 A g(-1)下,经过4000圈充放电测试以后,比容量仍然可以保持70%。(3)利用MXene衍生碳(MDC)作为导电网络,通过原位生长的方法制备三维结构的MXene衍生碳/镍锰双氢氧化物(MDC/NiMn-LDH)复合材料。通过调节Ni与Mn的原子比例确定当Ni:Mn为5:1时,Ni5Mn1-LDH均匀生长在MDC上,表现出优异的电化学性能。在电流密度为1 A g(-1)时,MDC/Ni5Mn1-LDH的比电容高达1640 F g(-1)。当电流密度增大到10 A g(-1)时,比电容为1140 F g(-1),具有69.5%的容量保持率。在8 A g(-1)大电流密度下,进行4500次充放电循环后,MDC/Ni5Mn1-LDH的容量依然保持73.5%,呈现出良好的循环稳定性。以MDC/Ni5Mn1-LDH为正极,三维有序多孔碳(aPCNs)为负极,成功组装了基于三维结构电极材料的非对称电容器。在6 M KOH体系下,可以在0-1.65 V电压区间内发生可逆的电化学反应。MDC/Ni5Mn1-LDH//aPCNs非对称电容器在825 W kg(-1)的功率密度下,能量密度可达到54.5 Wh kg(-1)。当功率密度高达16.5 kW kg(-1)时,该器件的能量密度仍可保持29.3 Wh kg(-1)。