二氧化铅的制备及其超级电容器性能研究

论文摘要

超级电容器是近年来出现的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件,它具有传统电池无法比拟的高功率密度、长循环寿命、环境友好等优点,随着新型绿色环保电动汽车的兴起以及各种电子通讯技术的发展,能源危机和环境保护成为人类可持续发展的战略核心,对于能源储存与转换元器件的要求越来越高,也使得超级容器的发展被提升到了一个新的高度。高能量、大功率的超级电容器更显示了其前所未有的应用前景,现已成为世界各国的研究热点。本论文根据大量的文献调研,紧跟该领域的国际前沿,从活性碳材料和金属氧化物材料着手,通过改进材料的制备方法,优化电极制作技术,研制出超级电容器用活性碳电极和二氧化铅薄膜电极,并组装成混合超级电容器。将材料的表征手段和电化学研究手段相结合,对材料的相关性能进行了测试,为研制混合超级电容器提供了实验依据和理论基础。主要研究内容如下：1、采用活性碳作为超级电容器的电极材料,组装成对称双电层超级电容器,研究其活性碳电极在5.3 mol L-1 H2SO4（1.28 g cm-3）、2 mol L-1 KCl和2 mol L-1 LiNO3不同电解液中的电化学性能,测试其比电容大小,利用恒流充放电和电化学阻抗谱等手段,测试对称活性碳双电层超级电容器在5.3 mol L-1 H2SO4电解液条件下的电容特性,在100 mAg-1的电流密度下能达到32.4 Fg-1。2、采用石墨片作为正极集流体,采用恒电流法在石墨片上沉积二氧化铅电极,并通过SEM和XRD研究了二氧化铅电极的形貌和结构特性。以二氧化铅电极为正极,活性碳电极为负极,5.3 mol L-1 H2SO4作为电解液,组装成混合超级电容器,并进行了恒流充放电和交流阻抗等电化学测试。结果表明：沉积电流对电极的电化学性能影响很大,在25 mA cm-2电流密度下沉积的二氧化铅电极不仅具有高比电容而且具有较好的循环稳定性,其与活性碳电极组装成混合超级电容器时,在150 mAg-1电流密度下比电容能达到128.4 Fg-1,恒流充放电循环3700次后其容量保持率仍能达到70%。3、采用石墨片作为正极集流体,采用循环伏安法电沉积二氧化铅电极,并借助SEM和XRD对二氧化铅电极材料的形貌和结构进行了表征。以二氧化铅电极为正极,活性碳电极为负极,5.3 mol L-1 H2SO4作为电解液,组装成混合超级电容器,并进行了恒流充放电和交流阻抗等电化学测试。结果表明：循环伏安法电沉积制备的二氧化铅电极不仅具有高比电容而且具有较好的循环稳定性,其与活性碳电极组装成混合超级电容器时,在500 mAg-1电流密度下比电容能达到96.8 Fg-1,恒流充放电循环2000次后其容量保持率仍能达到92%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 超级电容器的简介
• 1.2.1 超级电容器与传统电容器及电池的性能比较
• 1.2.2 超级电容器的特点
• 1.2.3 超级电容器的用途
• 1.2.4 超级电容器的发展状况
• 1.3 超级电容器的工作原理与分类
• 1.3.1 双电层电容器
• 1.3.2 法拉第赝电容器
• 1.3.3 混合超级电容器
• 1.4 超级电容器的电极材料
• 1.4.1 双电层电容器电极材料
• 1.4.2 金属氧化物电容器电极材料
• 1.4.3 导电聚合物电容器电极材料
• 1.4.4 超级电容器电解液
• 1.5 选题的背景和意义
• 1.6 本论文的主要研究目的和内容
• 1.7 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品与方法及原理
• 2.1 实验主要药品
• 2.2 实验主要装置
• 2.2.1 电化学测试体系
• 2.2.2 制备二氧化铅薄膜电极的实验装置
• 2.2.3 活性碳电极的制备及双电层电容器的组装
• 2.3 混合超级电容器的组装
• 2.4 材料的物理性能表征
• 2.4.1 物相分析
• 2.4.2 扫描电子显微镜
• 2.5 材料的电化学性能测试
• 2.5.1 回流充放电技术
• 2.5.2 循环伏安法
• 2.5.3 交流阻抗测试（EIS）
• 第3章 对称活性碳超级电容器的性能研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 活性碳电极的制备
• 3.2.2 对称活性碳超级电容器的组装
• 3.2.3 电化学性能测试
• 3.3 活性碳电极材料表征
• 3.4 对称活性碳超级电容器的性能研究
• 3.4.1 活性碳电极在不同电解液中的循环伏安特性研究
• 3.4.2 活性碳电容器在不同电解液中的恒电流充放电测试
• 3.4.3 电流大小对活性碳超级电容器性能的影响
• 3.4.4 循环寿命测试
• 3.4.5 交流阻抗特性研究
• 3.5 本章小结
• 2电极及其性能研究'>第4章 恒电流沉积石墨基PbO₂电极及其性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 石墨板基体的预处理
• 2电极制备'>4.2.2 石墨基PbO₂电极制备
• 2电极材料的表征'>4.3 PbO₂电极材料的表征
• 4.3.1 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 4.3.2 X-射线衍射分析
• 2/活性碳混合超级电容器的性能研究'>4.4 PbO₂/活性碳混合超级电容器的性能研究
• 4.4.1 电极的循环伏安性能研究
• 4.4.2 恒流充放电性能研究
• 2质量比对混合电容器容量的影响'>4.4.3 活性碳与PbO₂质量比对混合电容器容量的影响
• 4.4.4 电流大小对混合电容器性能的影响
• 4.4.5 循环寿命测试
• 4.4.6 交流阻抗测试
• 4.5 本章小结
• 2电极及其性能研究'>第5章 循环伏安沉积石墨基PbO₂电极及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 石墨基体的预处理
• 2电极的制备'>5.2.2 PbO₂电极的制备
• 2电极材料的表征'>5.3 PbO₂电极材料的表征
• 5.3.1 扫描电镜（SEM）分析
• 5.3.2 X-射线衍射（XRD）分析
• 2活性碳混合超级电容器的性能研究'>5.4 PbO₂活性碳混合超级电容器的性能研究
• 5.4.1 恒流充放电性能研究
• 2质量比对混合电容器容量的影响'>5.4.2 活性碳与PbO₂质量比对混合电容器容量的影响
• 5.4.3 电流大小对电容器性能的影响
• 5.4.4 循环寿命测试
• 5.4.5 交流阻抗法测试
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果