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能源储存用TiO_2与石墨烯/Ni（OH）_2电极材料

作　者: 张颂
导　师: 刘伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 二氧化钛 石墨烯 氢氧化镍 电极材料 包覆
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着时代的发展与社会的进步,传统化石能源逐步衰竭,并逐渐加重环境负担,能源问题已经成为全人类不得不面对的问题之一。锂离子电池与超极电容器作为目前研究领域最为活跃的两种电化学储能装置,表现出优异的功率密度、循环可逆性,被认为是最具竞争力的能量存储装置。本文以四异丙氧基钛酸(TTIP)作为Ti02合成的有机钛源,草酸为TTIP水解的抑制剂,聚乙烯醇(PVA)为包覆碳源,采用喷雾干燥法结合固相烧结法制备出了单纯和碳包覆Ti02锂离子电池负极材料,理论比容量为335mAh/g。采用TG-DTA.XRD、EDX-SEM、TEM和电化学方法对材料进行结构、形貌和电化学性能研究。测试结果表明,经过350～500℃煅烧4h后制备出了典型的锐钛矿结构的a-TiO2颗粒,该颗粒为表面光滑、分散度好、球形度极高、微米级的结构。经过400℃煅烧4h后的样品具有相对最优的电化学性能。在0.5、1、2、5和10C倍率下,首圈放电比容量分别为175.7、161.5、146.9、120.8和90.6mAh/g,经过50圈循环后,容量保持率分别可以达到82.2、85.1、88.9和90.8%。通过10wt.%PVA碳包覆后的Ti02,降低了充放电过程中电极的极化程度,提高了大电流密度下的循环性能。与未包覆材料相比,在10C高倍率下充放电250次循环后,室温时比容量从75.8提高到了93.2mAh/g,容量保持率从75.8%提高到了82.9%；0℃时10C倍率充放电250次后,比容量从66.6提高到79.8mAh/g;40℃时,10C倍率下的比容量从77.6提高到82.8mAh/g。本文以氧化石墨烯分散液为溶剂、NiCl2-6H2O为Ni源、氨水为沉淀剂、抗坏血酸为还原剂,采用水热合成法制备出了还原氧化石墨烯(rGONS)/Ni(OH)2超级电容器正极材料。采用XRD、SEM、FT-IR和电化学方法对材料进行结构、形貌和电化学性能研究。测试结果表明,石墨烯的加入大大提高了单纯Ni(OH)2的比电容,抗坏血酸有效地将氧化石墨烯(GO)还原成rGONS,降低了GO表面官能团影响其电导率的缺点,同时也利用了含氧官能团通过静电力和配位作用吸引金属离子的作用,使得复合物结合的更加紧密,提高了电化学性能。通过三组比较实验,优化后的水热合成条件为：0.5mg/mL氧化石墨烯分散液,4mmol NiCl2-6H2O添加量,0.1g抗坏血酸作为还原剂,2ml氨水作为沉淀剂,在140℃下保温8h。在lmol/L KOH电解液中测试,在各种电流密度下rGONS/Ni(OH)2复合材料仍然能保持不错的比容量,0.5、1、5和10A/g电流密度下,分别达到827.6、754.7、533.2和389.7F/g。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 电化学能量存储  10-11
    1.2.1 电化学能量存储方式  10
    1.2.2 电化学储能装置类型  10-11
  1.3 锂离子电池概述  11-18
    1.3.1 锂离子电池的发展历史与工作原理  11-13
    1.3.2 锂离子电池的特点与应用发展前景  13
    1.3.3 锂离子电池的研究进展  13-18
  1.4 超级电容器概述  18-23
    1.4.1 超级电容器的工作原理  18-20
    1.4.2 超级电容器的特点及应用前景  20
    1.4.3 超级电容器的研究进展  20-22
    1.4.4 石墨烯在超级电容器中的应用进展  22-23
  1.5 本文的研究目的与内容  23-24
2 实验仪器及方法  24-29
  2.1 实验试剂及仪器设备  24-25
  2.2 材料的物理化学性质的表征方法  25-27
    2.2.1 X射线衍射(XRD)  25-26
    2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)  26
    2.2.3 能量色散光谱(EDX)  26
    2.2.4 透射电子显微镜(TEM)  26
    2.2.5 热重-差热(TG-DTA)  26
    2.2.6 外光谱(FT-IR)  26-27
  2.3 电极的制备及电化学性能测试  27-29
    2.3.1 电极的制备  27
    2.3.2 电极材料的电化学性能测试  27-29
3 喷雾干燥法制备TiO_2及电化学性能研究  29-50
  3.1 TTIP水解抑制剂选择  29-30
  3.2 TiO_2的制备  30-31
  3.3 固相反应温度对电极材料的影响  31-40
    3.3.1 煅烧温度对TiO_2物性影响表征  31-34
    3.3.2 煅烧温度对TiO_2电化学性能影响测试  34-36
    3.3.3 样品T-400电化学性能测试  36-40
  3.4 PVA包覆TiO_2的结构、形貌及电化学性能  40-45
    3.4.1 PVA包覆TiO_2的制备  40
    3.4.2 PVA包覆TiO_2的物性表征  40-43
    3.4.3 PVA包覆TiO_2的电化学性能测试  43-45
  3.5 不同温度环境下TiO_2电化学性能测试  45-48
    3.5.1 0℃下电化学性能测试  45-47
    3.5.2 40℃下电化学性能测试  47-48
  3.6 本章小结  48-50
4 热水合成石墨烯/Ni(OH)2_复合材料及电化学性能研究  50-65
  4.1 石墨烯/Ni(OH)_2复合材料的制备  50-51
  4.2 石墨烯作用讨论  51-54
    4.2.1 rGONS/Ni(OH)_2复合材料与单纯Ni(OH)_2性能比较讨论  51-52
    4.2.2 rGONS/Ni(OH)_2与氧化石墨烯/Ni(OH)_2复合材料性能比较讨论  52-54
  4.3 Ni源配比量对rGONS/Ni(OH)_2复合材料的结构形貌与电化学性能影响  54-58
    4.3.1 不同Ni含量的石墨烯/Ni(OH)_2复合材料物性表征  54-55
    4.3.2 不同Ni含量的石墨烯/Ni(OH)_2复合材料电化学性能表征  55-58
  4.4 水热反应温度对rGONS/Ni(OH)_2复合材料的电化学性能影响  58-61
    4.4.1 不同反应温度rGONS/Ni(OH)_2复合材料CV表征  59-60
    4.4.2 不同反应温度rGONS/Ni(OH)_2复合材料恒电流充放电表征  60-61
  4.5 水热反应时间对rGONS/Ni(OH)_2复合材料电化学性能影响  61-64
    4.5.1 不同反应时间rGONS/Ni(OH)_2复合材料CV表征  62-63
    4.5.2 不同反应时间rGONS/Ni(OH)_2复合材料恒电流充放电表征  63-64
  4.6 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-73
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  73-74
致谢  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 电容器
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