本文主要研究内容
作者赵雯琦（2019）在《高性能多孔纳米碳气凝胶电极材料的设计制备及性能研究》一文中研究指出：碳纳米气凝胶具有三维联通的导电网络和优良的力学性能,可直接用作自支撑电极,在新一代储能器件(超级电容器、加离子电池)中有广阔的应用前景。然而碳纳米材料作为电极时由于其微观结构的限制,仍然存在比电容低、倍率性能弱等问题。为此,研究人员采用与赝电容材料复合或优化微观结构等方法来提高性能,但引入赝电容材料后出现的循环性能降低、多孔碳材料难以在亚纳米尺度精确调控等问题仍待解决。针对上述问题,本文开发了具有先进微观结构的多孔纳米碳气凝胶自支撑电极并应用于超级电容器和钾离子电池,通过系统深入的研究获得了优良的电化学性能,并辅以相应的理论计算分析。通过设计制备碳纳米管/导电聚合物的核壳及核双壳结构以获得高比电容和显著改善的循环稳定性,制备多孔纳米碳管结构实现超级电容器的超高倍率充放电性能和钾离子电池的稳定长循环性能,并通过理论计算揭示了钾离子在亚纳米孔内的存储机制。本论文基于一种三维多孔的碳纳米管海绵,在其内部均匀沉积厚度可控的聚苯胺层,形成具有核壳结构的复合海绵并获得了高比电容值(746 F/g)和良好的倍率性能。同时,聚苯胺壳还增强了海绵的力学性能和导电性,通过致密化处理获得了高的体积比电容(632 F/cm~3),还可作为灵敏且稳定的应变传感电极以及具有高导电性和高力学性能的树脂基复合材料。针对导电聚合物循环稳定性弱的问题,制备了一种具有核双壳结构的复合海绵,发现碳纳米管/聚苯胺/聚吡咯和碳纳米管/聚吡咯/聚苯胺这两种三元海绵均具有高比电容和稳定的循环性能。机制分析表明聚苯胺和聚吡咯在充放电时会发生协同作用,从而提高了循环性能。双电层电容主要与碳材料内可供离子吸附的比表面积及孔结构有关,故设计具有可控微观结构的多孔碳是构建高性能电极材料的前提。本论文提出了利用稀硝酸处理结合空气刻蚀的造孔方法,以聚吡咯纳米管气凝胶为前驱体制备了具有均匀、密集排布且孔径高度集中的一维纳米管壁结构。这种独特的微观结构作为超级电容器电极时能够获得193 F/g(1 A/g)的比电容值,同时在高达1000 A/g的倍率下可进行超快速充放电并展示了高比电容值(120 F/g)和高功率密度(265 kW/kg),且这种快速充电性能非常稳定,在反复进行十万次后比电容值仍为初始的88%。通过对电极材料储能机制的分析,揭示了影响这种超高倍率性能的关键因素,即具有较高的双电层电容贡献率(85%)。碳材料作为钾离子电池负极材料时具有较高的理论比容量和能量密度,但大尺寸的钾离子在碳层中的插嵌-脱嵌过程较为迟缓并会引起较大的体积变化,不利于电极的倍率性能和循环稳定性。本论文首次提出了亚纳米孔对钾离子存储机制的影响,对多孔纳米碳管的微观结构进行优化并精确调控其孔径及孔体积,通过系统的电化学性能测试,发现高的亚纳米孔体积能够获得253.7 mAh/g(50 mA/g)的比容量以及优异的倍率性能,同时在宽的倍率范围内(70 mA/g-5 A/g)均具有非常稳定的长循环性能。机制分析表明钾离子主要以表面电容过程在多孔纳米碳管中进行存储从而获得优异的倍率性能。利用第一性原理对多孔纳米碳管进行模拟,计算显示亚纳米孔(0.8 nm)结构具有非常低的离子扩散能垒和体积变化,证实了其快速充放电性能和长循环稳定性。本论文所揭示的亚纳米孔对钾离子存储性能的作用为进一步设计开发高性能钾离子电池负极材料提供了思路。
Abstract
tan na mi qi ning jiao ju you san wei lian tong de dao dian wang lao he you liang de li xue xing neng ,ke zhi jie yong zuo zi zhi cheng dian ji ,zai xin yi dai chu neng qi jian (chao ji dian rong qi 、jia li zi dian chi )zhong you an kuo de ying yong qian jing 。ran er tan na mi cai liao zuo wei dian ji shi you yu ji wei guan jie gou de xian zhi ,reng ran cun zai bi dian rong di 、bei lv xing neng ruo deng wen ti 。wei ci ,yan jiu ren yuan cai yong yu yan dian rong cai liao fu ge huo you hua wei guan jie gou deng fang fa lai di gao xing neng ,dan yin ru yan dian rong cai liao hou chu xian de xun huan xing neng jiang di 、duo kong tan cai liao nan yi zai ya na mi che du jing que diao kong deng wen ti reng dai jie jue 。zhen dui shang shu wen ti ,ben wen kai fa le ju you xian jin wei guan jie gou de duo kong na mi tan qi ning jiao zi zhi cheng dian ji bing ying yong yu chao ji dian rong qi he jia li zi dian chi ,tong guo ji tong shen ru de yan jiu huo de le you liang de dian hua xue xing neng ,bing fu yi xiang ying de li lun ji suan fen xi 。tong guo she ji zhi bei tan na mi guan /dao dian ju ge wu de he ke ji he shuang ke jie gou yi huo de gao bi dian rong he xian zhe gai shan de xun huan wen ding xing ,zhi bei duo kong na mi tan guan jie gou shi xian chao ji dian rong qi de chao gao bei lv chong fang dian xing neng he jia li zi dian chi de wen ding chang xun huan xing neng ,bing tong guo li lun ji suan jie shi le jia li zi zai ya na mi kong nei de cun chu ji zhi 。ben lun wen ji yu yi chong san wei duo kong de tan na mi guan hai mian ,zai ji nei bu jun yun chen ji hou du ke kong de ju ben an ceng ,xing cheng ju you he ke jie gou de fu ge hai mian bing huo de le gao bi dian rong zhi (746 F/g)he liang hao de bei lv xing neng 。tong shi ,ju ben an ke hai zeng jiang le hai mian de li xue xing neng he dao dian xing ,tong guo zhi mi hua chu li huo de le gao de ti ji bi dian rong (632 F/cm~3),hai ke zuo wei ling min ju wen ding de ying bian chuan gan dian ji yi ji ju you gao dao dian xing he gao li xue xing neng de shu zhi ji fu ge cai liao 。zhen dui dao dian ju ge wu xun huan wen ding xing ruo de wen ti ,zhi bei le yi chong ju you he shuang ke jie gou de fu ge hai mian ,fa xian tan na mi guan /ju ben an /ju bi ge he tan na mi guan /ju bi ge /ju ben an zhe liang chong san yuan hai mian jun ju you gao bi dian rong he wen ding de xun huan xing neng 。ji zhi fen xi biao ming ju ben an he ju bi ge zai chong fang dian shi hui fa sheng xie tong zuo yong ,cong er di gao le xun huan xing neng 。shuang dian ceng dian rong zhu yao yu tan cai liao nei ke gong li zi xi fu de bi biao mian ji ji kong jie gou you guan ,gu she ji ju you ke kong wei guan jie gou de duo kong tan shi gou jian gao xing neng dian ji cai liao de qian di 。ben lun wen di chu le li yong xi xiao suan chu li jie ge kong qi ke shi de zao kong fang fa ,yi ju bi ge na mi guan qi ning jiao wei qian qu ti zhi bei le ju you jun yun 、mi ji pai bu ju kong jing gao du ji zhong de yi wei na mi guan bi jie gou 。zhe chong du te de wei guan jie gou zuo wei chao ji dian rong qi dian ji shi neng gou huo de 193 F/g(1 A/g)de bi dian rong zhi ,tong shi zai gao da 1000 A/gde bei lv xia ke jin hang chao kuai su chong fang dian bing zhan shi le gao bi dian rong zhi (120 F/g)he gao gong lv mi du (265 kW/kg),ju zhe chong kuai su chong dian xing neng fei chang wen ding ,zai fan fu jin hang shi mo ci hou bi dian rong zhi reng wei chu shi de 88%。tong guo dui dian ji cai liao chu neng ji zhi de fen xi ,jie shi le ying xiang zhe chong chao gao bei lv xing neng de guan jian yin su ,ji ju you jiao gao de shuang dian ceng dian rong gong suo lv (85%)。tan cai liao zuo wei jia li zi dian chi fu ji cai liao shi ju you jiao gao de li lun bi rong liang he neng liang mi du ,dan da che cun de jia li zi zai tan ceng zhong de cha qian -tuo qian guo cheng jiao wei chi huan bing hui yin qi jiao da de ti ji bian hua ,bu li yu dian ji de bei lv xing neng he xun huan wen ding xing 。ben lun wen shou ci di chu le ya na mi kong dui jia li zi cun chu ji zhi de ying xiang ,dui duo kong na mi tan guan de wei guan jie gou jin hang you hua bing jing que diao kong ji kong jing ji kong ti ji ,tong guo ji tong de dian hua xue xing neng ce shi ,fa xian gao de ya na mi kong ti ji neng gou huo de 253.7 mAh/g(50 mA/g)de bi rong liang yi ji you yi de bei lv xing neng ,tong shi zai kuan de bei lv fan wei nei (70 mA/g-5 A/g)jun ju you fei chang wen ding de chang xun huan xing neng 。ji zhi fen xi biao ming jia li zi zhu yao yi biao mian dian rong guo cheng zai duo kong na mi tan guan zhong jin hang cun chu cong er huo de you yi de bei lv xing neng 。li yong di yi xing yuan li dui duo kong na mi tan guan jin hang mo ni ,ji suan xian shi ya na mi kong (0.8 nm)jie gou ju you fei chang di de li zi kuo san neng lei he ti ji bian hua ,zheng shi le ji kuai su chong fang dian xing neng he chang xun huan wen ding xing 。ben lun wen suo jie shi de ya na mi kong dui jia li zi cun chu xing neng de zuo yong wei jin yi bu she ji kai fa gao xing neng jia li zi dian chi fu ji cai liao di gong le sai lu 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自哈尔滨工业大学的赵雯琦，发表于刊物哈尔滨工业大学2019-12-07论文，是一篇关于多孔碳纳米材料论文,三维自支撑电极论文,超级电容器论文,钾离子电池论文,哈尔滨工业大学2019-12-07论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自哈尔滨工业大学2019-12-07论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：多孔碳纳米材料论文; 三维自支撑电极论文; 超级电容器论文; 钾离子电池论文; 哈尔滨工业大学2019-12-07论文;