高性能电化学能源存储器件的设计、集成及其柔韧特性的研究
能源存储器件，尤其是超级电容器和锂离子电池，已经被广泛地应用到人们日常生活中的电子器件、交通工具等领域。最近几年，电子器件的柔性化、微型化发展，对能源存储器件的结构和性能提出了更高的要求。为此，我们不得不通过开发新型的电极材料、构建新颖的电极结构、设计特殊的器件构造等来满足能源存储器件对轻质量、小体积、高容量、高柔性等性能的要求。本文从活性物质的选取、电极结构的构建、器件构造的设计等角度出发，目的在于研究并制备高性能的能源存储器件。在电极材料的选取和电极结构的设计上，主要制备并研究了三维电极结构在柔性超级电容器、柔性锂离子电池上的应用。在在器件的结构方面，主要设计了一些微型能源存储器件，如叠层状的、共面状的和线状结构的柔性超级电容器等，以满足器件对高柔性的需求。另外，在新兴的能源集成器件领域上，也有着一些首创性的研究成果。最后，为了填补高能量、低功率的锂离子电池和低能量、高功率的超级电容器之间的鸿沟，本文制作了兼具高能量密度和高功率密度的锂离子混合超级电容器。 本研究主要内容包括：⑴合成了三维GeSe2分级结构，并首次研究了其在柔性超级电容器上的电化学性能。在电流密度为10 mA/m2时，其放电比电容量为240μF/cm2。可以在很大程度上进行弯曲，并保持结构的完整性，表明器件优秀的机械稳定性。构建了平面状的微型超级电容器，研究了其在能源集系统中的应用，首次成功驱动了基于CdSe纳米线的光探测器件。⑵使用生长在镍丝(钛丝)上的Co3O4三维纳米线阵列作为负极、涂覆在碳纤维上的石墨烯作为正极，首次制作了线状柔性非对称超级电容器。其工作电压可以达到1.5 V，与工作电压为0.6 V时相比，能量密度提高了1860％。具有高的体积比电容量，在电流密度为20mA/cm3时的体积比容量是2.1 F/cm3。更有意义的是，实现了能源存储与光电探测的集成，并表现了超高的柔性。⑶在钛片上直接生长了三维网络状Li4Ti5O12结构，表现了超长的锂离子循环寿命和超高的倍率性能。在倍率为2C和20C时，充放电循环5000次后的放电比容量分别是153 mAh/g和115 mAh/g。在80C的高倍率下，其比容量保持在103mAh/g。所组装的柔性全电池，在20C的高倍率下充放电70次之后的放电比容量高达120mAh/g，表明其高的倍率特性。在不同的弯折状态下，仍然保持着较高的容量、电化学可逆性和充放电循环稳定性，表明这种全电池具有优异的柔韧特性和机械稳定性。⑷研究了TiO2复合前后的三维 FeS电极的锂离子存储能力。发现在TiO2修饰之后，FeS的比容量和倍率性能都有很大提高。通过循环伏安和电化学阻抗的方法，分析了TiO2复合后，锂离子在电极中的传输动力学过程，发现锂离子的扩散速率明显增大，在充放电的过程中，单位时间内所产生的电流密度由原来的1.39 A/cm2，增大到2.16 A/cm2。从机理上解释了TiO2对FeS三维结构电极锂离子存储性能的改善。⑸研究了喷涂印刷在能源存储器件电极制备上的应用。使用溶胶-凝胶法合成的SnSe纳米晶墨水，制备了三维结构的电极，并研究了其锂离子存储能力。在200 mA/g的电流密度下，充放电80次之后的放电比容量保持在676mAh/g。制备了柔性固态超级电容器，在电流密度为20μA/cm2时，其放电比容量可以达到1823μF/cm2，并具有高的柔性和机械稳定性。⑹研究了铌酸钛@碳电极的锂离子嵌入、脱出行为，发现其是一种锂插入式赝电容材料。使用铌酸钛@碳作为负极，碳纤维作为正极，制备了锂离子混合电容器。其工作电压在0.8-3.2V。当功率密度为99.58W/kg时，其能量密度是110.4Wh/kg，当功率密度增加到5464W/kg时，其能量密度保持在20 Wh/kg。表明铌酸钛@碳//碳纤维锂离子混合电容器同时兼具高的能量密度和高的功率密度。
能源存储;超级电容器;能量密度;电容器设计
华中科技大学
博士
物理电子学
沈国震
2014
中文
TM538;TM502
206
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）