Ni、Co、Fe基复合材料的制备及电化学性能研究

2023-10-20 理论教育版权反馈

【摘要】：超级电容器的比电容定义如下:其中,Q为单位质量电极上储存的电荷量,V为工作电压窗口。超级电容器由于其不同的储存能量机制,可分为以下两种基本类型:电化学双电层电容器[8]。通常情况下,具有大比表面积的碳基活性物质被用作EDLCs的电极材料。这类电容器源于电极材料与电解液之间发生的氧化还原反应[5,10]。图1.1双电层电容器和赝电容器2电池电极装置示意图[11]

超级电容器由于具有功率密度高、充放电快速及使用寿命长等优势[6],已被广泛应用在混合动力电动汽车、大型工业设备、内存备份设备及可再生能源发电厂[7]。与传统的静电容器不同,SCs并不是通过在电场中强加的薄层介电材料来储存电荷,而是通过在高比表面积、多孔的电极材料与电解液之间的电化学界面储存电荷。超级电容器的比电容(C)定义如下:

其中,Q为单位质量电极上储存的电荷量,V为工作电压窗口。

超级电容器由于其不同的储存能量机制,可分为以下两种基本类型:

(1)电化学双电层电容器(EDLCs)[8](下文称“双层电容器”)。该类电容器是由电极表面的双电层引起的,通过在电极/溶液界面的电荷吸脱附实现能量存储,在电极处积累电子是一个非氧化还原过程,可以通过优化孔体积、孔径分布、分等级结构大孔和介孔之间的互通性以及扩大材料比表面积来提高电容。EDLCs在电极和电解液间未发生电荷转移,其电荷储存具有高度的可逆性,因此其循环稳定性高[9]。通常情况下,具有大比表面积的碳基活性物质被用作EDLCs的电极材料。EDLCs的比电容计算公式如下:

其中,εr为双电层中介质的相对介电常数,ε0为真空的介电常数,A为电极的比表面积,d为双电层的有效厚度。(www.chuimin.cn)

(2)赝电容器(Pseudocapacitor)。这类电容器源于电极材料与电解液之间发生的氧化还原反应[5,10]。在电荷处积累电子是一个氧化还原过程,包括氧化还原反应、电荷嵌入和吸附[9],此过程中产生的电子在电解液与电极交界面进行传输。金属氧化物的理论赝电容计算公式如下:

其中,n为氧化还原反应中平均电子转移数,F为法拉第常数,M为金属氧化物的摩尔质量,V为工作电压窗口。赝电容材料的比电容(一般为300～1000F/g)远高于双电层电容材料(一般为100～250F/g),主要的赝电容材料包括金属氧化物和导电聚合物。双电层电容材料拥有高的电化学循环稳定性,但它的电容值通常很低,赝电容材料则呈现出高电容量和相对较差的循环稳定性。因此,综合利用双电层电容和赝电容材料各自的优势被认为是提高SCs电化学性能的有效途径(图1.1)。

图1.1　双电层电容器和赝电容器2电池电极装置示意图[11]

Ni、Co、Fe基复合材料的制备及电化学性能研究

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