超級電容器納米電極材料的制備和電化學(xué)性能.研究 (1)

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1、青島科技大學(xué)研究生學(xué)僥論文第一章緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色能源越來越受到入們的關(guān)注，對新能源的開發(fā)正在加緊進(jìn)行，儲(chǔ)能設(shè)備新的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。目前，常用設(shè)備中以堿錳、銀鋅、鋰電為代表的一次電池以及鎳鎘、鎳氫為代表的二次電池，雖然它們都有高能量密度，但它們的功率密度一般不超過500肌g，大脈沖電流放電或快速充電時(shí)會(huì)引起電池內(nèi)部發(fā)熱、升溫，降低電池使用壽命【1，2】。燃料電池同樣存在功率密度低和耐高脈沖充、放電性能差的缺點(diǎn)p】。近年來出現(xiàn)的超級電容器是一種新型的儲(chǔ)能器件，其儲(chǔ)存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全{生高

2、等特點(diǎn)鞭。其產(chǎn)量約占全球電子元件的40％，產(chǎn)值約占全球電子元件的10％以上，被廣泛應(yīng)用于聲頻／視頻設(shè)備、pDA、電話機(jī)、傳真機(jī)及計(jì)算機(jī)等通諷設(shè)備和家用電器中I孓刀。超級電容器在移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、航空航天和國防科技等領(lǐng)域也具有重要和廣闊的應(yīng)用前景，因麗在世界范圈內(nèi)引起了極太關(guān)注，越來越受到人們的重視蹬_(tái)¨。深入開展基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用研究，對超級電容器的研制是非常必要的。超級電容器技術(shù)是一項(xiàng)在專君料、工佟原理、制備、測試等諸多方面涉及電子、電化學(xué)、材料、物理等多領(lǐng)域多學(xué)科的系統(tǒng)工程。各國紛紛制定出電化學(xué)超級電容器(ele砹∞ehemie8is即erc帶aci幻f

3、ESC)的發(fā)展計(jì)劃，將其列為國家重點(diǎn)的戰(zhàn)略研究對象【眩'B】。高能量密度、高功率密度的電化學(xué)容器正在成為人們研究的熱點(diǎn)f14·18】o1．1超級電容器的研究背景1746年，荷蘭Leyde拄大學(xué)的物理學(xué)家pie{髫V馘Musse沁狂b∞ok發(fā)弱了～種具有蓄電功能的“condenser”電容器。由于該電容器誕生在荷蘭都市L_。yden，人們將其稱之為“萊登瓶(Leydenjar)”，由此開始了人類使用電容器的歷史。超級電容器的研究，可以追溯到1879年}{elmholtz發(fā)現(xiàn)電化學(xué)雙電層界面的電容性質(zhì)。然而，雙電層結(jié)構(gòu)用于能量的存儲(chǔ)引起學(xué)術(shù)界的廣泛興趣僅僅是近幾十年的事。電容器的發(fā)震經(jīng)歷

4、了瞧解電容器、瓷介電容器、有機(jī)薄膜電容器和超級《容器凡個(gè)階段。1．1．1超級電容器的分類及工作原理根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理不同可將電化學(xué)電容器分為：1)基于碳競極／電解液界面電荷分離所產(chǎn)生的雙電層電容器；2)采用貴金屬氧化物做電極的電容器，是利用氯化物超級電容器納米電極材料的制備和電化學(xué)成用研究電極材料表面和體相中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的吸附電容，這種電容被稱為法拽第贗電容；3)用不同的電極材料分別做電容器的兩極，使所制備的電容器同時(shí)具有雙電層電容和法拉第贗電容，即所謂的混合電容。(1)雙電層電容器1879年，Hel翻埝lz研究發(fā)現(xiàn)了雙電層結(jié)構(gòu)的電純學(xué)電容性質(zhì)。所謂雙電層電容(如圖1．1所示)

5、是在電極／溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙所產(chǎn)生的。對一個(gè)可極化的電極／溶液體系充電時(shí)，在電極表面產(chǎn)生過剩電荷，與此同時(shí)，電極／電解質(zhì)界面層的溶液一側(cè)聚集有等量異號電荷或偶極子，電荷的分離產(chǎn)生雙電層的充放電，伴隨能量的儲(chǔ)存和釋放。所以，雙電層電容的大小與電極比表面積成正比，也與電極的極化電勢有關(guān)。因此入們可以通過提高極化電位和增大電極材料的比表面積達(dá)到提高電容器儲(chǔ)存能量的網(wǎng)的。嚴(yán)格的說，界面雙電層是由離子雙電層、吸附雙電層和偶板雙電層共同{乍用的結(jié)果，但是電極／電解液兩相間的電極電位主要來源于離子雙電層。強(qiáng)制電極溶液界面形成雙電層，必須具備以下條件：電極中存在自囊移動(dòng)電

6、子；溶液中有可以參加構(gòu)成雙電層的各種離子；形成雙電層的電極最好是在一定的電位范圍內(nèi)，無論外加電源怎樣給它施加電勢，均無電荷通過電極／溶液界面?zhèn)鬟f的理想極化電極，麗不引起任何電化學(xué)反應(yīng)。一個(gè)雙電層電容器單元由兩個(gè)浸有電解液的電極構(gòu)成，中間夾以隔膜，相當(dāng)于兩個(gè)雙電層電容的謇聯(lián)。電容器的工作過程可用下面的電化學(xué)過程來表示：正極：西+彳一一髓+∥彳一+P一(1-1)負(fù)極：墨+C++8一專C+∥西一(1—2≥息反藏：Es+Es+c’+A__Es‘{㈨。斗C’f憾S?n-3、)其中，Es代表電極表面，∥表示積累電蘅的雙電層，C+和A’分別為電解液中的正、負(fù)離子。充電時(shí)電子通過外加電源從正極轉(zhuǎn)移到

7、負(fù)極，同時(shí)電解液本體中的正負(fù)離子各自反向擴(kuò)散到電極表面，能量以電荷的形式存儲(chǔ)在電極材料與電解液的界面之間；當(dāng)充電完成外加電源撤消后，由于電極上所帶電荷和溶液中相反電性離子之間的靜電引力，離子不會(huì)遷移回溶液本體，使得雙電層穩(wěn)定，正負(fù)極間的電壓能夠得以保持。放邀時(shí)，外加電路將正負(fù)電極連通，電子通過負(fù)載從負(fù)極返回正極，正負(fù)離子則從電極表面返回電解液中。所以整個(gè)電荷的存儲(chǔ)／釋放過程沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，基本上是一個(gè)泡荷的物理遷移過程。根據(jù)雙電層理論，界面雙電層電容一般