超级电容器纳米电极材料的制备和电化学性能.研究

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1、青岛科技大学研究生学侥论文第一章绪论随着社会经济的发展，绿色能源越来越受到入们的关注，对新能源的开发正在加紧进行，储能设备新的应用领域也在不断扩大。目前，常用设备中以碱锰、银锌、锂电为代表的一次电池以及镍镉、镍氢为代表的二次电池，虽然它们都有高能量密度，但它们的功率密度一般不超过500肌g，大脉冲电流放电或快速充电时会引起电池内部发热、升温，降低电池使用寿命【1，2】。燃料电池同样存在功率密度低和耐高脉冲充、放电性能差的缺点p】。近年来出现的超级电容器是一种新型的储能器件，其储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全{生高等特点鞭

2、。其产量约占全球电子元件的40％，产值约占全球电子元件的10％以上，被广泛应用于声频／视频设备、pDA、电话机、传真机及计算机等通讽设备和家用电器中I孓刀。超级电容器在移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域也具有重要和广阔的应用前景，因丽在世界范圈内引起了极太关注，越来越受到人们的重视蹬_¨。深入开展基础理论研究和实际应用研究，对超级电容器的研制是非常必要的。超级电容器技术是一项在专君料、工佟原理、制备、测试等诸多方面涉及电子、电化学、材料、物理等多领域多学科的系统工程。各国纷纷制定出电化学超级电容器(ele砹∞ehemie8is即erc带aci幻fESC)的发展计

3、划，将其列为国家重点的战略研究对象【眩'B】。高能量密度、高功率密度的电化学容器正在成为人们研究的热点f14·18】o1．1超级电容器的研究背景1746年，荷兰Leyde拄大学的物理学家pie{髫V馘Musse沁狂b∞ok发弱了～种具有蓄电功能的“condenser”电容器。由于该电容器诞生在荷兰都市L_。yden，人们将其称之为“莱登瓶(Leydenjar)”，由此开始了人类使用电容器的历史。超级电容器的研究，可以追溯到1879年}{elmholtz发现电化学双电层界面的电容性质。然而，双电层结构用于能量的存储引起学术界的广泛兴趣仅仅是近几十年的事。电容器的发震经历了瞧解电容器、瓷介电容器

4、、有机薄膜电容器和超级《容器凡个阶段。1．1．1超级电容器的分类及工作原理根据储能机理不同可将电化学电容器分为：1)基于碳竞极／电解液界面电荷分离所产生的双电层电容器；2)采用贵金属氧化物做电极的电容器，是利用氯化物超级电容器纳米电极材料的制备和电化学成用研究电极材料表面和体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，这种电容被称为法拽第赝电容；3)用不同的电极材料分别做电容器的两极，使所制备的电容器同时具有双电层电容和法拉第赝电容，即所谓的混合电容。(1)双电层电容器1879年，Hel翻埝lz研究发现了双电层结构的电纯学电容性质。所谓双电层电容(如图1．1所示)是在电极／溶液界面通过电子或离子

5、的定向排列造成电荷的对峙所产生的。对一个可极化的电极／溶液体系充电时，在电极表面产生过剩电荷，与此同时，电极／电解质界面层的溶液一侧聚集有等量异号电荷或偶极子，电荷的分离产生双电层的充放电，伴随能量的储存和释放。所以，双电层电容的大小与电极比表面积成正比，也与电极的极化电势有关。因此入们可以通过提高极化电位和增大电极材料的比表面积达到提高电容器储存能量的网的。严格的说，界面双电层是由离子双电层、吸附双电层和偶板双电层共同{乍用的结果，但是电极／电解液两相间的电极电位主要来源于离子双电层。强制电极溶液界面形成双电层，必须具备以下条件：电极中存在自囊移动电子；溶液中有可以参加构成双电层的各种离子

6、；形成双电层的电极最好是在一定的电位范围内，无论外加电源怎样给它施加电势，均无电荷通过电极／溶液界面传递的理想极化电极，丽不引起任何电化学反应。一个双电层电容器单元由两个浸有电解液的电极构成，中间夹以隔膜，相当于两个双电层电容的謇联。电容器的工作过程可用下面的电化学过程来表示：正极：西+彳一一髓+∥彳一+P一(1-1)负极：墨+C++8一专C+∥西一(1—2≥息反藏：Es+Es+c’+A__Es‘{㈨。斗C’f憾S⋯n-3、)其中，Es代表电极表面，∥表示积累电蘅的双电层，C+和A’分别为电解液中的正、负离子。充电时电子通过外加电源从正极转移到负极，同时电解液本体中的正负离子各自反向扩散到电

7、极表面，能量以电荷的形式存储在电极材料与电解液的界面之间；当充电完成外加电源撤消后，由于电极上所带电荷和溶液中相反电性离子之间的静电引力，离子不会迁移回溶液本体，使得双电层稳定，正负极间的电压能够得以保持。放邀时，外加电路将正负电极连通，电子通过负载从负极返回正极，正负离子则从电极表面返回电解液中。所以整个电荷的存储／释放过程没有化学反应发生，基本上是一个泡荷的物理迁移过程。根据双电层理论，界面双电层电容一般