Ni、Co、Fe基复合材料电化学性能研究及制备

2023-10-20 理论教育版权反馈

【摘要】：一个典型超级电容器是由双电极、多孔隔膜和电解液共同组成的。事实上,随着各类超级电容器技术的不断发展,可重点结合不同电极材料的优势以提高装置的性能。其他因素如碳材料的内部电阻、表面官能团的种类和数量、表面润湿性能、边缘效应和循环性能等,都直接影响着SCs的电化学性能。

一个典型超级电容器是由双电极、多孔隔膜和电解液共同组成的。当实施外加电压时,电极两端各积累大量的相反电荷,这些电荷能够产生一个电场,从而使超级电容器储存能量。SCs性能的优劣主要体现在其功率密度和能量密度的大小上,能量密度决定了SCs作为电源的使用寿命,而功率密度则决定了其储能/放能的快慢。

超级电容器的能量密度E表示为:

超级电容器的最大功率密度Pmax表示为:

式(1.5)中,R为装置中所有组件的等效串联电阻。在单个超级电容器中可以同时使用双电层电容材料和赝电容材料来组装成混合超级电容器,通过利用法拉第和非法拉第两个过程储存电荷,混合超级电容器能够获得更高的能量密度和功率密度,同时保持良好的循环稳定性。如:在单个的SCs中,充放电时,在一侧电极上发生氧化还原反应,在另一侧电极上发生非氧化还原反应,这样的超级电容器称为非对称混合超级电容器。另外两种混合超级电容器为仿电池混合型和复合物混合型。事实上,随着各类超级电容器技术的不断发展,可重点结合不同电极材料的优势以提高装置的性能。

超级电容器的主要性能参数包括比电容(按电极质量、体积、面积计算)、能量密度、功率密度、大电流充放电能力(在大电流负载下电容保持率)和循环稳定性。为了增加SCs的能量密度和功率密度,可采取增加比电容C和工作电压窗口V或降低等效串联电阻R等措施。对于EDLCs,最大的电势窗口Vm主要依赖于电解液的选择,受限于电解液的稳定性,基于液态电解质的SCs通常Vm为1V,最新研究趋向于发展非液态电解液用以得到更高的Vm,如离子液体基电解液的Vm可达3.5V[12]。作为一种理想的超级电容器电极材料应具备以下几点[13]:

①高比表面积——决定了比电容；

②优异的孔径分布——影响比电容和快速充放电能力；(www.chuimin.cn)

③高电子导电率——对大电流充放电能力和功率密度至关重要；

④理想的电活性位点——可以产生赝电容；

⑤高热稳定性和化学稳定性——影响循环稳定性；

⑥原材料的生产价格低廉。

由上述分析可知,影响SCs电容大小的最重要因素是有效表面积,它决定了电极/电解液接触面积的大小,进而决定了双电层电容的使用范围。尽管碳材料有很大的理论表面积,但如果不易被离子进入的话,此面积对获得高双电层电容的作用不大,碳材料电容的高低很大程度上取决于其片层间的分布及空间立体结构,因此越来越多的研究致力于开发具有离子可触及的高比表面积碳基复合材料。

多孔性、孔体积和孔径分布同样对电极电容的大小起到了很重要的作用。孔尺寸通常决定了进入电极内部的离子类型,为了使大部分电解液离子可以接触到碳材料内表面,优化孔性质这个变量是很有必要的。同时,孔尺寸和孔体积最佳标准的设定也依赖于电解液使用的种类,如:当表面孔径尺寸小于1.5nm时,大多数离子液体是很难进入的,而且总的孔体积越小可使电极材料变得更加密集、总质量变得更轻。其他因素如碳材料的内部电阻、表面官能团的种类和数量、表面润湿性能、边缘效应和循环性能等,都直接影响着SCs的电化学性能。

Ni、Co、Fe基复合材料电化学性能研究及制备

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