基于納米碳及其金屬氧化物復合電極的超級電容研究.pdf

1、超級電容器又稱電化學電容器，它具有壽命長、安全可靠、儲能大等優(yōu)點，是近十幾年隨著材料科學的突破而出現的新型儲能元件。進入二十一世紀，電力緊缺，煤炭、石油等能源日趨枯萎，對于全球經濟運行和人類生活無疑產生了較大沖擊。人們開始尋找更多的替代能源，關于如何利用太陽能、風能等這些可再生清潔能源引起了越來越多的關注。于是，如何儲存這些能量也成為了不容忽視的課題，因此超級電容器這類儲能裝置的研究顯得尤為重要。大力深入開展基于超級電容器的基礎理論和實

2、際應用研究，不僅有其重要的科學價值，更重要的是在能量存儲中有著可預見的廣闊應用前景和現實意義。本文主要創(chuàng)新點是系統(tǒng)地研究了采用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)和絲網印刷工藝制備的碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)薄膜，以及其與金屬氧化物（ZnO和FexOy）復合后作為超級電容器電極的電化學性能。主要研究內容如下：
　　 ⑴采用兩種低成本、大面積生產的工藝，即CVD和

3、絲網印刷法來制備CNT薄膜，測試并討論了其在液體和凝膠電解質中的超級電容性能。兩種工藝制備的碳管都是以中孔分布為主的無序纏繞網狀結構，有利于雙電層電容的形成。電極在循環(huán)伏安和充放電測試中都表現出良好的雙電層電容性能及可逆充放電能力，而且在凝膠電解質中，電極的性能和比電容大小也接近于在液體電解質中的現象，說明凝膠電解質具有較好的離子導電率，在超級電容的應用領域有一定的潛力。
　　 ⑵采用超聲霧化熱解法在CNT薄膜上沉積ZnO作為復

4、合材料應用于超級電容的電極，循環(huán)伏安測試結果表明，無論在液體電解質還是凝膠電解質中，復合電極的可逆性較好，表現出了典型的雙電層電容和法拉第準電容特性。文中討論了ZnO所參與的氧化還原的反應機理，并根據比電容和能量密度的計算結果可知，CNTs與ZnO在樣品沉積5min下表現出了最優(yōu)化的協(xié)同效應，復合電極的電化學性能最佳。交流阻抗譜分析結果同樣表明，沉積5min時復合電極具有最低的界面電荷傳遞電阻，有利于離子遷移及在ZnO中的脫/嵌過程。然

5、而，長時間沉積后會導致ZnO比重增大，從而降低復合電極的導電性和比表面積，同時也會抑制氧化還原過程，減少贗電容。
　　 ⑶采用超聲霧化熱解法沉積FexOy與CNT薄膜復合，對于所得到的復合材料進行了電化學性能測試。研究結果表明，兩組復合電極在液體和凝膠電解質中的循環(huán)伏安曲線基本上呈現出了對稱的近矩形形狀，反映出良好的超級電容特性；而且在凝膠電解質中樣品還能維持較高的充放電電流密度，說明電極在其中電化學性能表現穩(wěn)定。此外，各組樣品

6、的比電容均隨著沉積時間的增加而先增大后減小，在沉積10min時達到最大值；沉積時間繼續(xù)增大則導致FexOy與CNT團聚顆粒增大，破壞CNT原有網狀孔結構，不利于離子吸附及氧化還原反應的發(fā)生，導致電容特性降低。
　　 ⑷利用化學聚合法將聚吡咯與CNTs復合，作為超級電容器的電極進行研究，結果表明復合電極中CNT薄膜仍能維持網狀結構，聚吡咯顆粒小且鑲嵌于碳管薄膜中，有利于活性物質的利用。在電化學性能測試中，復合電極同時表現出了雙電層

7、電容和法拉第準電容特性，反映了CNTs與聚吡咯的協(xié)同效應。復合電極的比電容隨著凝膠電解質中PMA含量的增加而增大，在PVA-PMA-50中的比電容達到最大值202.5F/g。恒流充放電測試中電極表現出了良好的可逆充放電性能，比電容及能量密度的變化趨勢與循環(huán)伏安結果一致。
　　 ⑸介紹了一種新型碳材料--石墨烯的制備方法，并利用超聲霧化熱解法使ZnO與其復合，電化學測試結果表明，與純石墨烯或ZnO電極相比，復合電極具有理想的可逆充