【摘 要】
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在现有的储能器件中,超级电容器以功率密度高、充放电时间快、循环寿命长、绿色环保等优点受到人们的重点关注。目前超级电容器被广泛应用在电动汽车、国防科技、航空航天和穿戴型智能设备等领域。然而,超级电容器能量密度低的现实问题,一定程度上限制它的商业应用价值。因此,在保证其原有优点的前提下,如何有效提高能量密度一直是超级电容器领域的研究热点。由能量密度公式可知,电极材料的比容量和电容器电压窗口的大小对超级
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在现有的储能器件中,超级电容器以功率密度高、充放电时间快、循环寿命长、绿色环保等优点受到人们的重点关注。目前超级电容器被广泛应用在电动汽车、国防科技、航空航天和穿戴型智能设备等领域。然而,超级电容器能量密度低的现实问题,一定程度上限制它的商业应用价值。因此,在保证其原有优点的前提下,如何有效提高能量密度一直是超级电容器领域的研究热点。由能量密度公式可知,电极材料的比容量和电容器电压窗口的大小对超级电容器的能量密度起着决定性作用。所以,本文通过制备出高比电容的电极材料,并将其组装成电压窗口较宽的对称型和非对称型超级电容器,实现了能量密度和功率密度双高的超级电容器。具体研究内容如下:(1)采用溶剂热法和低温磷化法制备了过渡金属磷化物,其中通过调整镍盐和钴盐的比例得到了不同镍钴比的金属磷化物微球,并确定当镍盐和钴盐的质量比为1:1(Ni Co P)时电化学性能最佳,1 A·g-1电流密度下,比电容达1050 F·g-1。然后在此基础上,通过引入锌盐取代部分钴盐制备了一系列微/纳米球形的锌掺杂镍钴金属磷化物。结果表明,锌盐的加入不仅提高了电化学性能而且可以有效降低成本,使电极材料同时兼具了实用性和经济性。且当锌盐掺杂量为20%时(Ni Co0.8Zn0.2P)的电化学性能最好,1 A·g-1电流密度下,比电容为1362 F·g-1。(2)以洛神花为原料,采用简便、高效的预碳化—活化两步方法成功制备了洛神花基生物质碳(HFC-X)。当KOH活化剂与生物质碳HFC的质量比为MKOH:MHFC=3:1时(HFC-3)测得的比电容量最大,1 A·g-1电流密度下,达216 F·g-1。HFC-3比表面积高达1699.96 m~2g-1,总孔体积为0.95 cm~3g-1,平均孔径为11.2 nm。(3)以HFC-3作为正、负极材料组成的对称型超级电容器(HFC-3//HFC-3)在0-1.6 V电压窗口内,1 A·g-1电流密度下,测试的比电容为44 F·g-1、能量密度为15.64 Wh·kg-1、功率密度为799.77 W·kg-1,循环5000圈电容保留率为90.4%。以Ni Co0.8Zn0.2P为正极,HFC-3为负极匹配组装成的非对称型超级电容器(Ni Co0.8Zn0.2P//HFC-3)在0-1.5 V的电压范围内,1 A·g-1电流密度下,比电容量、能量密度和功率密度分别为113 F·g-1、35.31 Wh·kg-1、747.74 W·kg-1,进行5000次充放电循环测试后仍然保留有初始电容量的80.6%。
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