發(fā)布時(shí)間：2020-05-09 18:53

【摘要】：隨著化石能源的枯竭和環(huán)境污染的日益加劇,綠色可持續(xù)能源顯得尤為重要,超級(jí)電容器、鋰離子電池、鉀離子電池等一系列儲(chǔ)能裝置被廣泛研究。本文分別研究了生物質(zhì)炭基多級(jí)孔炭在不同水系電解液中的超級(jí)電容器性能以及陽(yáng)離子插層MXene的儲(chǔ)鋰(鉀)性能及其與不同電解質(zhì)離子的匹配機(jī)制。1、超級(jí)電容器是一種新型的能量?jī)?chǔ)存裝置,具有充電時(shí)間短、功率密度大等特點(diǎn)。以生物質(zhì)裂解制備生物柴油的殘?zhí)繛樵��?以氫氧化鉀為活化劑制備了超級(jí)電容器用碳電極材料。所制備的生物炭基多孔炭具有較大的比表面積,同時(shí)具有較好的微孔-介孔-大孔的多級(jí)孔結(jié)構(gòu),其比表面積和孔容分別高達(dá)2790.4 m~2 g~(-1)和2.04 cm~3 g~(-1)。正是由于這種多級(jí)孔結(jié)構(gòu),以4倍KOH活化制得的BBC-4材料顯示了優(yōu)良的電容特性,在KOH電解液中,比電容值可達(dá)到327F g~(-1),在100 A g~(-1)下比電容值仍達(dá)到205 F g~(-1),表現(xiàn)出良好的倍率性能;在Na_2SO_4電解液中,工作電壓可高達(dá)1.6 V,能量密度最高為20.2 Wh kg~(-1)。在KOH電解液中經(jīng)過(guò)120 000次循環(huán)后仍保持初次比電容的92%,表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。合理的多級(jí)孔分布可以在保持原有高質(zhì)量能量密度的前提下提升體積能量密度。2、提升材料儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鉀性能一直是鋰(鉀)離子電池領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本工作將新型二維材料Ti_3C_2 MXene作為負(fù)極材料,針對(duì)MXene比容量低和層間易堆疊不利于電解液離子插入的問(wèn)題,發(fā)展了一種季銨離子插層法實(shí)現(xiàn)了MXene材料層間距的精準(zhǔn)調(diào)控,深入研究了該類材料的儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鉀特性,揭示了層間距與電解液離子的匹配機(jī)制,提升了其儲(chǔ)鋰和儲(chǔ)鉀能力。其中,經(jīng)NH_4~+插層后MXene層間距為1.18 nm,儲(chǔ)鋰容量為152 mAh g~(-1),較Ti_3C_2(120 mAh g~(-1))提升21%;在2 A g~(-1)下儲(chǔ)鋰容量為74 mAh g~(-1),較Ti_3C_2(46 mAh g~(-1))提升了60%。系統(tǒng)的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明季銨離子插層提升了鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué),促進(jìn)了鋰離子在層間的脫嵌,從而增強(qiáng)了其儲(chǔ)鋰性能。但是隨層間距的繼續(xù)增大,銨離子較長(zhǎng)的碳鏈發(fā)生卷曲阻礙了鋰離子的擴(kuò)散。(C_2H_5)_4NBr@Ti_3C_2層間距為1.48 nm,表現(xiàn)出較強(qiáng)的電容型儲(chǔ)鉀性能,在0.1 A g~(-1)下比容量為81 mAh g~(-1),較Ti_3C_2(60 mAh g~(-1))提升35%,在2 A g~(-1)下比容量為35 mAh g~(-1)較Ti_3C_2(12.2mAh g~(-1))提升187%。本工作在不改變材料表面化學(xué)性質(zhì)的前提下通過(guò)層間距的精確調(diào)控提高了MXene的儲(chǔ)能性能,實(shí)現(xiàn)了致密儲(chǔ)能,對(duì)其他二維材料層間距的調(diào)控也具有重要的借鑒意義。
【圖文】：

山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論2圖1.1 不同儲(chǔ)能裝置的比能量和比功率對(duì)比圖Fig.1.1 Comparisonofspecificenergyandspecificpowerfordifferentenergystoragedevices超級(jí)電容器是由導(dǎo)電集流體、電極材料、隔膜和電解液組成。其中，電極是超級(jí)電容器的核心，它是由集流體和電極材料組成，電極材料一般選擇具有高比表面積、良好導(dǎo)電性的碳材料。集流體既可以利用導(dǎo)線將電極與外電路構(gòu)成通路，又可以降低電極的電阻，，常用的集流體材料主要有泡沫鎳、銅箔、鋁箔等。隔膜材料要求具有絕緣性、穩(wěn)定性、良好的離子透過(guò)性、良好的力學(xué)性能和對(duì)電解液的親和性。1.3 超級(jí)電容器的分類電化學(xué)電容器按儲(chǔ)能機(jī)理可分為兩類：雙電層儲(chǔ)能和法拉第贗電容儲(chǔ)能[1]。1.3.1 雙電層電容器雙電層電容器（ElectricDouble-Layercapacitor，簡(jiǎn)稱EDLC）通過(guò)在電極和電解質(zhì)溶液界面上形成靜電雙電層而儲(chǔ)存能量，其儲(chǔ)能機(jī)理是雙電層理論[9]。圖1.2 雙電層電容器工作原理Fig.1.2 Workingprincipleofdouble-layerca

圖1.2雙電層電容器工作原理
【學(xué)位授予單位】：山東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM53;TM912

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