| 石墨烯基电极材料的制备及其在超级电容器中的应用研究 | |
| 牛棱渊 | |
| Subtype | 工学博士 |
| Thesis Advisor | 王金清 |
| 2014-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 石墨烯 超级电容器 电极材料 复合材料 掺杂 Graphene Supercapacitor Electrode Materials Composite Doped |
| Abstract | 超级电容器作为一种新型储能装置，由于具有超高功率密度和长循环寿命而得到广泛关注，但较低的能量密度却成为制约其广泛应用的瓶颈。如何提高超级电容器的能量密度是当前研究的一大热点和难点。根据超级电容器能量密度的计算公式：E = 1/2CV2，提高电极材料的比电容和电解液的分解电压均可以增大其能量密度。其中，电极材料是影响超级电容器能量密度的主要因素之一，因此开发具有优异性能的电极材料尤为重要。石墨烯作为一种新型二维纳米碳材料，其具有比表面积大、力学强度高和导电性好等优点，是一种理想的超级电容器电极材料。然而，单层石墨烯在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间由于范德华力的作用常常发生团聚或重新堆垛，使得有效双电层面积减少，进而导致其潜在电容性能难以彰显。为了解决上述问题，本文通过不同方法制备了硼掺杂石墨烯和石墨烯复合材料，分别采用FESEM、TEM、FT-IR、XRD、Raman、XPS和N2吸附脱附等分析手段对所制备材料的形貌、组成及结构进行了表征，研究了它们作为超级电容器电极材料的电化学性能，并进一步揭示了电极材料的形貌、组成及结构的差异对其电化学性能影响的规律。主要研究内容和结果概括如下： 1. 以氧化石墨烯为原料、环境友好的硼酸为硼源，采用高温裂解方法制备了具有高掺杂量的硼掺杂石墨烯。掺杂石墨烯中硼的掺杂量可通过改变反应的时间得到有效的调控，并在反应3 h时得到最大掺杂量4.7%。将所制备的硼掺杂石墨烯作为超级电容器电极材料进行了研究，发现其在0.5 A g-1时比电容可达172.5 F g-1，并兼具良好的倍率性能，循环5000次后比电容保持在96.5%，这充分证明了杂原子掺杂是改进石墨烯电容性能的一种有效方法。 2. 采用溶剂热合成技术制备了高导电率的镍/石墨烯复合材料。石墨烯与金属镍单质复合有效地阻止了二者的团聚，TEM照片显示镍纳米颗粒均匀分散在石墨烯纳米片之上。将该复合材料用作超级电容器电极材料时，比相同条件下制得的氧化镍/石墨烯复合材料具有更优异的电容性能，其初始比电容在1 A g-1下高达547.3 F g-1，当放电电流密度从1 A g-1增加到15 A g-1时，复合材料的电容保持率达76 %，显示出良好的倍率性能，最终经过1000次循环后比电容保持率为81%。 3. 为了进一步提高镍/碳复合材料体系的循环稳定性，采用碳包覆技术成功制备出了镍@碳核壳结构复合材料。电化学性能测试表明Ni@C复合材料在0.5 A g-1时比电容可达539 F g-1，并且该电极材料经过1000次循环后，比电容仍保持在91%，显示出比镍/石墨烯复合材料更好的循环稳定性。因而，镍纳米颗粒表面碳纳米层的存在不仅有效继承了单质镍电极材料较高的赝电容特性，同时极大的提高了电极材料的稳定性。 4. 通过化学共沉淀法成功合成了非晶态钨酸镍电极材料，系统的研究了反应温度对钨酸镍电化学性能的影响。将其应用于超级电容器电极材料，在三电极体系中，0.5 A g-1时比电容可达586.2 F g-1，且经过1000次循环后比电容保持率为88.8%。然后以所制备的钨酸镍作为正极材料、活性炭作为负极材料，成功组装出钨酸镍//活性炭不对称超级电容器，该不对称电容器在的200 W kg-1和4.8 kW kg-1功率密度下，能量密度分别为25.3 Wh kg-1和15.1 Wh kg-1，这些数值远远高于相同条件下活性炭//活性炭对称电容器，从而成功实现了超级电容器在大功率密度下的高能量密度。 5. 以所设计的钨酸镍复合金属氧化物为基础，将其与石墨烯成功复合制备了石墨烯/钨酸镍复合材料，然后将该材料应用于超级电容器进行研究，其在2 M KOH中1 A g-1时比电容可达682.8 F g-1，经过1000次循环后比电容保持率为90.1%。复合材料无论是比电容还是循环稳定性相比于纯钨酸镍都有一定提高，这可归因于复合材料中两个组分的协同效应。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 聚合物摩擦学组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6747 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 牛棱渊. 石墨烯基电极材料的制备及其在超级电容器中的应用研究[D]. 中国科学院大学,2014. |
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| 201422牛棱渊.pdf（4080KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
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