鋰離子混合超級電容器的材料制備及其研究.pdf

1、由于現(xiàn)代社會的便攜式電子設(shè)備發(fā)展的驅(qū)動，可再生能源的產(chǎn)品，以及對電氣或混合電動車輛的需求不斷增加，對具有高性能、低成本的環(huán)境友好的能量儲存設(shè)備的研究已經(jīng)顯著地增加。超級電容器和鋰離子電池是目前公認的兩個最具有發(fā)展前景的能量儲存系統(tǒng)。因而在當今社會，對電能存儲裝置的設(shè)計制造時，將具有高功率密度的超級電容器(SC)和具有高能量密度的鋰離子電池(LIB)作為新型環(huán)保、低制造成本和高性能的兩種優(yōu)秀的能量存儲裝置的備選，以滿足現(xiàn)階段能量存儲高需求

2、。LIB通?？梢源鎯Ω哌_150～200 Wh·kg-1的能量，但是它們的低功率密度（低于100W·kg-1）和較差的循環(huán)壽命常小于1000次循環(huán)）限制了它的發(fā)展及應(yīng)用，相反，超級電容器則可以提供高得多的功率密度(10 kW·kg-1)，更長的循環(huán)壽命（超過1000個循環(huán)）和快速充電-放電過程（大電流，約在幾秒鐘以內(nèi)），但是其較低的能量密度一直是影響它實際應(yīng)用的一個大問題。在追求更高的能量密度而不犧牲功率密度的情況下，超級電容器-電池混合

3、能量存儲裝置，即鋰離子混合超級電容器，組合了電化學雙電層電容(EDLC)型正極電極與鋰離子電池型負極電極的混合型電容器便應(yīng)運而生了。然而，在對鋰離子混合超級電容器的研究過程中依然存在很多的問題等待解決，各項性能也有待提高。
　　本文旨在構(gòu)建一個以石墨烯紙為正極材料的layer-by-layer形式的鋰離子混合超級電容器，即在扣式電池雙電極體系下構(gòu)成的鋰離子混合超級電容器。第一個工作就是設(shè)計并制備石墨烯paper作為鋰離子混合電容器

4、的正極材料。將石墨烯的三維多孔碳紙(Graphene paper)作為正極材料，充分利用其高表面積(～800 m2·g-1)的特性。除此之外，將石墨烯paper作為正極材料，不同于傳統(tǒng)電極材料制備過程中需要加入super-p、PVDF等導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑，這樣做的優(yōu)勢就在于在減少電極質(zhì)量的同時也降低了制備電極材料的成本。
　　第二個工作，我們通過二次水熱法和一種較為簡單的化學方法制備了比容量很高的MnCO3@FGS和FeS2@FGS來

5、作為鋰離子混合電容器的負極材料。MnCO3@FGS在100 mA·g-1的電流密度下，能達到1360 mAh·g-1的容量，并且從第二周開始衰減很少，在100個循環(huán)后還能保留912 mAh·g-1的容量。在組裝成鋰離子混合超級電容器后，在能量密度達到36.2 Wh·kg-1時，功率密度能夠達到250 W·kg-1。我們還通過一種相對簡單的方法制備了不同碳含量的Fe2O3@FGS以及FeS2@FGS，能夠控制氧化物或者硫化物的顆粒大小以及

6、在石墨烯基上的分布，增大了整體材料的比表面積，增大了電極材料與電解液的接觸面積，提高了材料的利用效率，提高了材料的導(dǎo)電性和能量密度。FeS2@FGS在電流密度為0.2 A·g-1第一周能得到882 mAh·g-1的比容量，并且在100次循環(huán)之后還能保留665 mAh·g-1的容量。通過構(gòu)建量子點與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)，大大增強了材料的電化學性能，應(yīng)用于石墨烯paper組裝成鋰離子混合超級電容器，在能量密度達到34.6 Wh·kg-1，功率密