活性碳/硬碳非对称超级电容器的研究

论文摘要

化学电源作为一种将化学能转换为电能的高效能量转换装置越来越受到关注和重视。超级电容器是介于常规电容器和二次电池之间的一种新型储能装置,它具有较常规电容器更大的容量和能量以及比二次电池更高的功率密度,且能够进行快速充放电,拥有极长的使用寿命和较宽的工作温度范围。超级电容器的使用十分广泛,比如在航空航天军事方面、移动通信技术、电子消费产品、燃料电池、电动汽车和城市交通以及太阳能和风能中都有重要而广阔的应用前景,其中有的应用领域还是无法代替的。将超级电容器和二次电池组合形成的混合动力电源系统,能够很好地满足高功率输出的需要,在电动汽车瞬间启动、加速和制动方面发挥很大作用。研究开发新的超级电容器电极材料具有很重要的现实意义。石墨（MCMB）和硬碳（hard carbon）作为商业锂离子蓄电池中最常用的负极材料,它们都具有高导电性,电化学性能优良,其中,硬碳具有独特的卡片层状结构,理论比容量比石墨高,可以考虑作为超级电容器电极材料,与活性碳（activated carbon）材料装配成非对称电容器。本论文第一部分主要是考察了MCMB电极的嵌锂性能和高比表面活性碳电极的电化学性能,第二部分则分别以高嵌锂容量的硬碳和活性碳电极作为超级电容器的负极和正极,考察了硬碳负极的嵌锂性能,并对初步研究了AC/HC非对称超级电容器的电化学性能。通过电化学实验研究得到以下结论：1、对MCMB电极进行循环伏安测试表明,电极表面的SEI膜基本上是在首次CV过程中形成,形成SEI膜的电压范围主要在0.75-0.2 V,而锂离子嵌入石墨层间的电压范围是0.2-0.01 V。但MCMB电极大倍率放电时衰减严重,高倍率性能不太理想。活性碳电极在有机电解液1.3 mol/L LiPF6/EC+DMC（质量比为1：3）中的电化学性能测试表明,活性碳电极在工作电压范围内稳定性良好,表现出很好的功率特性和电容特性。2、本文中的硬碳材料层间距较大,嵌锂比容量较高,硬碳纽扣电池嵌锂实验和循环伏安测试表明,25 mA/g电流密度时放电比容量为284.7 mAh/g,它具有较好地快速脱嵌锂性能,可进行大倍率性能实验,可以运用于非对称超级电容器中；在循环伏安扫描过程中发生了锂离子的嵌入脱出反应,基本在首次CV过程中形成SEI膜,形成SEI膜的电压范围主要在1.0-0.5 V,锂离子嵌入硬碳层间的电压范围是0.5-0 V。3、通过恒流充放电测试、循环伏安和交流阻抗测试手段研究了活性碳/硬碳非对称超级电容器的电化学性能。结果显示,当正负极质量比为1：1时,非对称电容器的比容量值达到最佳,在25 mA/g电流密度时,单极比电容为80.1 F/g,100 mA/g时电容值为78.9 F/g,容量保持率为98.5%。以25 mA/g电流密度的循环性能测试表明,非对称电容器的交流阻抗值小于活性碳双层电容器,且充放电效率都在98%左右,1000次循环后,比容量保持率为70.4%,此非对称超级电容器的电化学性能还有待提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 选题背景
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池的结构、工作原理及其主要特征
• 1.2.2 锂离子电池负极材料的研究状况
• 1.2.3 锂离子电池的应用与研究方向
• 1.3 电化学超级电容器的简介
• 1.3.1 电化学超级电容器的分类
• 1.3.2 超级电容器的特征优点
• 1.3.3 电化学超级电容器的工作原理
• 1.4 电化学超级电容器的电极材料研究
• 1.4.1 金属氧化物电极材料
• 1.4.2 高分子导电聚合物电极材料
• 1.4.3 碳基电极材料
• 1.4.4 嵌锂型电极材料
• 1.5 电化学超级电容器的应用方向
• 1.6 电化学超级电容器的现状与展望
• 1.7 本论文的研究目的和内容
• 1.8 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品与方法及原理
• 2.1 实验主要化学药品及试剂
• 2.2 实验主要装置
• 2.2.1 真空干燥箱
• 2.2.2 电化学手套箱
• 2.2.3 电化学工作站
• 2.3 模拟电池和电容器的组装
• 2.3.1 电解液和隔膜
• 2.3.2 电极片的制备
• 2.4 电化学测量技术和方法原理简介
• 2.4.1 三电极体系简介
• 2.4.2 两电极体系简介
• 2.4.3 恒电流充放电方法技术
• 2.4.4 循环伏安技术（CV）
• 2.4.5 交流阻抗谱技术（EIS）
• 2.5 电极材料的物化性能表征方法
• 2.5.1 BET及孔径分布测试
• 2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 第3章 石墨嵌锂实验及碳基超级电容器的研究
• 3.1 概述
• 3.2 电极片的制备
• 3.3 纽扣电池和电容器的装配
• 3.4 电化学性能测试
• 3.5 两种电极材料的表征
• 3.5.1 扫描电镜图（SEM）分析
• 3.5.2 BET及孔结构分布
• 3.6 MCMB电极的嵌锂性能研究
• 3.7 AC/AC双电层超级电容器的性能研究
• 3.7.1 循环伏安特性研究
• 3.7.2 恒流充放电测试
• 3.7.3 交流阻抗测试
• 3.8 本章小结
• 第4章 硬碳嵌锂性能及AC/HC非对称超级电容器的研究
• 4.1 概述
• 4.2 电极片的制备及电池的装配
• 4.3 模拟电容器的装配
• 4.4 电极表面形态观察及模拟电容器电化学性能测试
• 4.5 硬碳电极嵌锂性能研究
• 4.5.1 硬碳电极的电镜表征
• 4.5.2 硬碳电极的充放电测试
• 4.5.3 硬碳负极的CV测试
• 4.6 AC/HC非对称超级电容器的电化学性能研究
• 4.6.1 正负极活性物质质量比的选择
• 4.6.2 电压范围的选择
• 4.6.3 恒流充放电性能测试
• 4.6.4 电流对非对称电容器性能影响
• 4.6.5 循环性能测试
• 4.6.6 交流阻抗测试
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果