| 高电压电化学储能器件的构筑及其性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 侯瑞林 | |
| Thesis Advisor | 杨生荣,阎兴斌 |
| 2022-05-25 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 高电压储能，超级电容器，水系电解液，电极-电解液界面，动力学电压窗口 |
| Abstract | 电动汽车及其他用电器件的快速发展，对电化学储能器件的性能提出了更高的要求，而关系到用电器续航里程/时间的能量密度则显得尤为重要。提升电压窗口可有效提高能量密度。此外，更宽的电化学安全窗口也意味着更长的循环寿命，更好的安全性。且高工作电位可能能激发新的储能机制，为高压高比容储能器件的开发创造机会；同时，高压电化学储能器件可直接替换目前为满足高压需求而串联成的电池组，实现体积最小化。然而，电压窗口是一个复杂的系统性问题，直接与电池中各组件的兼容性相关。它们之间任一组件的电化学失效或它们之间发生副反应都会限制电化学储能器件的工作电压窗口。因此，开发高压电化学储能器件极具研究价值和挑战性。基于此，本论文围绕开发高电压电化学储能器件，分别从电极钝化，高压电解液开发，电极-电解液界面优化和器件配置设计等方面展开，并最终回归在电压窗口定义标准的基础问题上。本论文主要研究内容和结果如下： （1）为了拓展活性炭基（AC）电极的电化学稳定窗口，在K+基有机电解质中，通过预钾化处理AC电极，使其安全工作窗口拓展至可以满足离子插层电位。进一步通过混合活性炭和石墨材料作为正负极，成功构筑了高电压电化学储能器件。该器件可以通过改变外加电压来分别实现超级电容器（SC），钾离子杂化电容器（KIHC）和钾基双离子电池（KDIB）三种不同的储能机制，并分别输出峰值功率密度，良好功率和能量密度兼容和实现峰值能量密度。该工作为构建具有性能可调多功能高压电化学储能设备提出了全新策略。 （2）为进一步拓宽水系电解质的电化学稳定窗口，基于卤素阴离子（F-）的高电荷密度和高电负性，一种“阳离子/阴离子共溶剂化”型16 m KF水性电解质被开发出来，可实现196 mS cm-1的高电导率，基于不锈钢网的创纪录的3.4 V窗口，甚至基于铝金属电极的6.72 V的窗口，远高于目前报道的最高值。这种优异的特性归因于高浓度的F阴离子和水分子之间的强氢键。这项工作为理想高压水系电解液的设计提供新的策略，并为在分子水平上理解阴离子在水性电解质中的重要作用提供了理论参考。 （3）为了通过界面优化拓宽碳基对称超级电容器的电压窗口，以大孔径大腔体的MOF-808为基本材料，分别在其中封装NaF和Al(ClO4)3，并涂覆在活性炭表面。MOF-808与NaF反应生成的无定型材料可有效传输Na+并通过隔绝溶剂实现0.4 V的电压窗口拓宽；而MOF@Al(ClO4)3能成功在正极界面营造微酸性环境，将正极电位拓宽0.3 V。进一步使用8 m NaClO4/ACN/H2O做电解液，实现了3.0 V的高压水系对称碳基超级电容器的构筑。这项工作为高压水系超级电容器的构筑提出了一种全新的电极-电解液界面优化策略。 （4）为实现正负极容量/倍率平衡的同时获得高工作电压，筛选低电位赝电容式储能的MXene和高压赝电容式储能的MnO2分别作为正负极材料成功组装成双赝电容器件。考察了不同水热时间对MnO2材料比表面积和赝电容特性的影响，研究了其储能动力学并进一步揭示了其储能机理。进而考察了不同路易斯酸刻蚀得到的MXene的电化学性能，并研究其储能动力学。通过筛选合适的电解液并进行正负极质量科学匹配，实现了4.0 V高电压和能以5.0 A g-1大电流密度充电的双赝电容器件。应用于水系电解液，也还可以实现高达3.2 V的电压窗口。这项工作证明了器件配置设计对于构筑高压电化学储能器件的重要作用。 （5）为了解决目前电压窗口测试缺乏严格标准的问题，利用伏安法和恒电流充电在非安全窗口内响应的有效充电电流的不同，进一步通过自放电表征最终电极充电状态来判断器件的动力学窗口。进而通过两种方法充电电极的等时自放电电位差，得出特定电压窗口的工作条件阈值。原位监测不同测试条件下超级电容器正负极的电位贡献，将其与单电极窗口和阈值对比，即可得出器件的安全窗口和工作条件阈值。这项工作提出了规范表征超级电容器安全工作电压窗口和工作条件阈值的方法，将实际应用与理论研究更紧密的结合在一起。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 161 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30110 |
| Collection | 清洁能源化学与材料实验室 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 侯瑞林. 高电压电化学储能器件的构筑及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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