高比能量鋰離子電容器的構(gòu)筑及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電容器作為一種新型不對稱電容器，通過引入鋰離子電池電極材料提高能量密度，同時繼承了超級電容器高功率密度，高循環(huán)穩(wěn)定性和充放電速度快等優(yōu)點，在電子器件、電動汽車和能源存儲等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。但相比鋰離子電池，鋰離子電容器的能量密度仍有較大的提升空間。近年來，為了進(jìn)一步提高鋰離子電容器的能量密度，新型鋰離子電容器體系的開發(fā)和相關(guān)電極材料的設(shè)計合成一直備受工業(yè)和科研界關(guān)注。本文以構(gòu)筑新型高能量密度鋰離子電容器為目的，根據(jù)能量密度

2、的計算公式E=1/2CV2，從提高比容量和擴(kuò)寬電壓窗口兩個方面入手，通過調(diào)控電極材料的微觀結(jié)構(gòu)改善其性能，具體內(nèi)容包括如下幾個方面:
　　(1)在多孔炭//鈦酸鋰型鋰離子電容器體系中，多孔炭正極限制了電容器的比容量，多孔炭的孔結(jié)構(gòu)是決定其電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。本章研究多孔炭正極孔道結(jié)構(gòu)（比表面積、孔體積）對三電極體系下的比容量和鋰離子電容器整體電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，孔體積是影響鋰離子電容器整體比容量的主要因素。三種介孔炭的孔

3、體積在2.4～4.3cm3g-1，基于介孔炭正極的鋰離子電容器比容量在26～39Fg-1，普遍高于微孔炭和微孔-介孔炭鋰離子電容器的比容量(15～29Fg-1)。其中，介孔炭鋰離子電容器Me-2//LTO比容量最高，在電流密度0.5Ag-1下可達(dá)39Fg-1，能量密度可達(dá)58Wh kg-1。
　　(2)為進(jìn)一步提高多孔炭正極的孔道利用率和倍率性能，設(shè)計合成一種厚度和孔道結(jié)構(gòu)可控的納米炭片。以合成的納米炭片為正極，鈦酸鋰為負(fù)極構(gòu)筑鋰

4、離子電容器。通過研究炭材料正極在鋰離子電容器充放電過程中的分步吸脫附行為和擴(kuò)散動力學(xué)，證明納米炭片的比表面積利用率和離子擴(kuò)散速率均高于本文中其它微孔炭和介孔炭材料，歸因于納米炭片獨有的薄片結(jié)構(gòu)能夠形成開放的孔道結(jié)構(gòu)和縮短的擴(kuò)散路徑。該鋰離子電容器在0.5Ag-1下比容量為55Fg-1。在1Ag-1下，循環(huán)3000次容量保持率可達(dá)到88％，能量密度可達(dá)77Wh kg-1，功率密度可達(dá)3409Wkg-1。
　　(3)為擴(kuò)寬電壓窗口，引

5、入低電極電位的金屬氧化物-炭復(fù)合材料為負(fù)極。采用原位水解法制備有序介孔炭負(fù)載納米SnO2復(fù)合材料，將制備的SnO2-C作為負(fù)極構(gòu)筑鋰離子電容器，電壓窗口可達(dá)0.5～4.0V。通過交流阻抗和離子擴(kuò)散系數(shù)的計算，揭示了負(fù)極SnO2負(fù)載量對電化學(xué)性能的影響規(guī)律。SnO2負(fù)載量的提高有利于獲得更高的初始容量，但不利于提高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。其中，SnO2負(fù)載量為57wt％的樣品在循環(huán)過程中能夠保持較高的離子擴(kuò)散速率和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。該鋰離子

6、電容器0.1Ag-1下的比容量可達(dá)66Fg-1，能量密度可達(dá)110Wh kg-1，最大功率密度為2960Wkg-1，1Ag-1下循環(huán)2000次容量保持率為80％。
　　(4)為進(jìn)一步提高正極比容量，在多孔炭正極中引入高理論容量的單質(zhì)硫，利用硫的氧化還原反應(yīng)提高正極比容量，設(shè)計制備了一種新型高能量密度鋰離子電容器。并采用電化學(xué)沉積法在正極表面包覆聚苯胺，提高電子導(dǎo)電性，同時抑制硫的穿梭效應(yīng)，提高循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測試表明，單質(zhì)硫的引