二氧化铅/活性碳混合超级电容器研究

论文摘要

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件,具有比传统电容器更高的能量密度及比普通电池更高的功率密度和更长的循环寿命。随着高性能的电化学超级电容器在移动通讯、信息技术、航天航空和国防科技等领域的不断应用,超级电容器越来越受到人们的关注,特别是环保汽车——电动汽车的出现,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能源研究的热点。展开这一热点,面对的就是一项研究的重点工程——超级电容器高比容电极材料的开发。本论文根据大量的资料调研,紧跟该领域的国际研究前沿,以碳材料和金属氧化物材料着手,通过选择材料体系,优化电极制作工艺,研制出超级电容器用碳电极和二氧化铅薄膜电极,并组装成电容器单元。将材料表征手段和电化学研究手段相结合,对其性能进行了测试,为研制超级电容器提供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,通过探索电极的制备工艺和电容器的组装工艺,利用循环伏安、电化学阻抗谱和恒流充放电等手段,测试了碳基超级电容器的电容特性。为后续新材料的开发奠定基础。2、采用恒电流法沉积二氧化铅薄膜电极,在前人的基础上对制备工艺进行了优化,并借助SEM和XRD研究了二氧化铅电极的结构特性。以二氧化铅电极为正极,活性碳电极为负极,1.28 g·cm-3H2SO4作为电解液,组装成二氧化铅/活性碳混合超级电容器,并研究了其循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学特性。结果表明,该混合电容器具有电容特性,电容器工作时,既有双电层电容的贡献,又包含准电容的作用,因此其活性物质比容量高于活性碳双电层电容器,且沉积电流对产物的电化学性能有很大的的影响。在30mA·cm-2电流密度下沉积的多孔结构二氧化铅电极组成的混合电容器不仅具有很高的比电容99.1 F·g-1,而且具有良好的循环稳定性,恒流充放电3000次后其容量仍保持在83%以上。3、采用脉冲电流技术沉积二氧化铅薄膜电极,重点研究了脉冲时间,脉冲电流大小对二氧化铅电极材料结构及性能的影响。并借助SEM和XRD对二氧化铅电极材料的结构特性进行了表征。以二氧化铅电极为正极,活性碳电极为负极,1.28 g·cm-3H2SO4作为电解液,组装成二氧化铅/活性碳混合超级电容器,并研究了其循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学特性。结果表明,该混合电容器具有电容特性,电容器工作时,既有双电层电容的贡献,又包含准电容的作用,因此其活性物质比容量高于活性碳双电层电容器,且脉冲沉积条件对产物的结构及电化学性能有很大的的影响。在脉冲时间为0.01 s,间歇时间为0.1 s,脉冲电流密度为25 mA·cm-2下制备的二氧化铅构成的混合电容器具有很高的比电容109.1 F·g-1,同时具有良好循环稳定性,经5000次深度循环其比容量仅损失9%。

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、电池的性能比较
• 1.2.2 超级电容器的应用特点和发展状况
• 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 赝电容（法拉第准电容）器
• 1.3.3 混合电容器
• 1.4 超级电容器的电极材料
• 1.4.1 碳基材料
• 1.4.2 导电聚合物
• 1.4.3 金属氧化物
• 1.5 选题的意义和依据
• 1.6 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 实验装置
• 2.2.1 制备二氧化铅薄膜电极的实验装置
• 2.2.2 测试模拟装置
• 2.2.3 活性碳电极的制备
• 2.2.4 二氧化铅电极的制备
• 2.3 电化学测试体系
• 2.3.1 三电极体系
• 2.3.2 二电极体系
• 2.4 电化学测量技术简介
• 2.4.1 循环伏安法
• 2.4.2 恒流充放电技术
• 2.4.3 交流阻抗技术
• 2.5 电极材料的表征手段
• 2.5.1 扫描电子显微镜
• 2.5.2 X-射线衍射
• 第3章 碳基超级电容器的研究
• 3.1 概述
• 3.2 电化学测试
• 3.3 活性碳双层电容器的性能研究
• 3.3.1 循环伏安特性研究
• 3.3.2 交流阻抗特性研究
• 3.3.3 恒流充放电测试
• 3.4 活性碳电极的优化研究
• 3.4.1 粘结剂含量对活性碳比容量的影晌
• 3.4.2 导电剂含量对活性碳比容量的影晌
• 3.4.3 电极厚度对活性碳比容量的影响
• 3.5 本章小结
• 2电极及其特性表征'>第4章 恒电流法制备PBO₂电极及其特性表征
• 4.1 概述
• 2电极材料表征'>4.2 PBO₂电极材料表征
• 4.2.1 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 4.2.2 X-射线衍射分析
• 4.3 二氧化铅/活性碳混合超级电容器的性能研究
• 4.3.1 循环伏安性能研究
• 4.3.2 恒流冲放电性能研究
• 4.3.3 活性碳与二氧化铅质量比对混合电容器容量的影响
• 4.3.4 电流大小对混合电容器性能的影响
• 4.3.5 循环寿命测试
• 4.3.6 交流阻抗法测试
• 4.4 本章小结
• 2电极及其特性表征'>第5章 脉冲电流技术制备PBO₂电极及其特性表征
• 5.1 概述
• 5.2 制备方法
• 5.3 电极材料表征
• 5.3.1 扫描电镜（SEM）分析
• 5.3.2 X-射线衍射（XRD）分析
• 5.4 二氧化铅/活性碳混合超级电容器的性能研究
• 5.4.1 循环伏安特性研究
• 5.4.2 恒流冲放电性能研究
• 5.4.3 活性碳与二氧化铅质量比对混合电容器容量的影响
• 5.4.4 电流大小对混合电容器性能的影响
• 5.4.5 循环寿命测试
• 5.4.6 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 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果