镍基超级电容器电极材料的研究

论文摘要

超级电容器是近年来出现的一种新型能源器件，性能介于传统电容器和电池之间，具有高能量密度、高功率密度、循环寿命长、污染小等特点。超级电容器在电力、铁路、绿色能源、军品、航空航天领域的各种快速大功率启动系统、无人值守与移动能源系统、后备电源系统等方面都有极其重要的应用价值。根据储能原理，超级电容器可分为双电层电容和赝电容两类，从结构上看，超级电容器主要由极化电极、电解液、集流体、隔膜以及相应的辅助部件组成。超级电容器的研究主要集中于高性能电极材料的制备。目前，常用的电极材料主要有炭材料、金属化合物和导电聚合物（Electrically Conducting Polymer，ECP）。复合材料，例如炭/氧化物，炭/ECP，氧化物/导电聚合物，其它复合物等。由于能利用各组分间的协同效应提高整体性能，已成为目前人们研究的热点之一。本论文的工作主要为：有序中孔炭（Ordered MesoporousCarbon, OMC）的研制；镍化合物/有序中孔炭复合材料研究；二元化合物（Ni-Fe，Ni-Mn）/有序中孔炭复合材料协同效应研究。复合材料通过XRD, TEM, N2等温吸附脱附曲线，循环伏安，交流阻抗和循环寿命等手段进行了表征。论文的主要研究内容和创新点如下：1.采用SBA-15为模板制备了有序中孔炭。实验研制的有序中孔炭，采用蔗糖、糠醇为碳源，孔径分布较窄，平均孔径为4nm，比表面积高达1500m2g-1,在2M KOH水溶液中，扫描速率为5mV s-1下，有序中孔炭的比电容为250F g-1；2.首次采用微湿含浸水热法制备的碱式硝酸镍（Ni2（NO3）2（OH）2·2H2O）/OMC复合材料有较高的比电容1470F g-1,由于极好的电化学性能，对环境无污染和低成本，是较为理想的电极材料，开创了碱式硝酸盐作为超级电容器材料的先河，其发现将是世界超级电容器电极材料具有里程碑的跨越；3.首次采用微湿含浸水热法制备Ni-Mn二元化合物/OMC和Ni-Fe二元化合物/OMC复合材料，对其循环伏安和交流阻抗系统研究，证明组分间存在较好的协同效应，比电容较单一金属材料有所提高；4.首次通过微湿含浸水热法制备的Mn化合物/OMC复合材料，主体材料OMC可以提供碳源，将硝酸锰转化成MnCO3，在2M KOH水溶液，扫描速率为5mV s-1时，比电容高达380F g-1，而MnO2/OMC,复合材料比电容只有200F g-1。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器的分类
• 1.3 超级电容器的结构形式
• 1.4 超级电容器的特性
• 1.5 超级电容器的工作原理
• 1.6 超级电容器行业发展的关键
• 1.7 超级电容器复合电极材料研究进展
• 1.7.1 金属化物/炭
• 1.7.2 导电聚合物/炭
• 1.7.3 氧化物/导电聚合物
• 1.7.4 其它复合物
• 1.8 选题的背景意义以及主要内容
• 1.8.1 选题的背景
• 1.8.2 选题的意义
• 1.8.3 研究内容和创新点
• 第二章 实验方法和原理
• 2.1 主要原材料及仪器设备
• 2.2 电极的制备
• 2.2.1 粘结剂
• 2.2.2 成型压力
• 2.2.3 集流体
• 2.3 超级电容器性能测试方法和原理
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 循环伏安法
• 2.3.3 交流阻抗测试原理
• 2.4 实验赝电容机理探讨
• 2.5 电极材料孔尺寸的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 有序中孔炭/镍化合物纳米复合材料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 问题的提出
• 3.2.1 目前超级离子电容器电极材料的缺陷
• 3.2.2 优化工艺设计
• 3.3 镍为活性组分的复合材料的电容特性研究
• 3.3.1 实验部分
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 温度对复合材料性能的影响
• 3.4.2 负载量和水热反应时间对材料电性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 双金属镍锰化合物与OMC复合材料研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 OMC/Ni-Mn 复合材料的制备
• 4.2.2 电极片的制备
• 4.2.3 材料的电化学性能测试
• 4.3 实验结果讨论
• 4.3.1 样品的XRD表征
• 4.3.2 样品的孔隙性表征
• 4.3.3 典型样品的TEM表征
• 4.3.4 材料的电性能研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 镍铁二元化合物与OMC复合材料的性能研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 双电层的条件
• 5.1.2 思路设计
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 OMC/Ni-Fe 复合材料的制备
• 5.2.2 电极片的制备
• 5.2.3 材料的电化学性能测试
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 样品成分分析
• 5.3.2 样品物理性质分析
• 5.3.3 典型样品 TEM 表征
• 5.3.4 样品的电性能研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 本论文的创新
• 6.3 有待深入研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢