基于Cu2+的氧化还原水系电解质在超级电容器中的研究
目前，超级电容器相比于锂离子电池和其他储能装置具有较强的功率密度和良好的循环寿命，这也使其一直具有良好的研究价值。而在应用过程中能量密度低成为制约其发展的主因，相比于改性电极材料的方法，工艺简单，性能提升明显的电解质改性越来越受到人们重视。对比有机和离子液体两类，水系电解质具有离子电导率高，阻抗值低，离子浓度高，无污染环保等优势，且水为良溶剂，可以溶解多价态离子在界面发生氧化还原反应储能。目前大部分氧化还原添加剂应用于水系电解液虽然能有效提升比电容，但在充放电过程中还原产物存在交叉扩散问题，体系产生严重的自放电。相比而言Cu2+添加剂不仅可以在界面上发生氧化还原反应储能且氧化还原产物Cu在反应过程中会沉积在电解材料表面，沉积的Cu避免了整个体系的交叉扩散，在一定程度上降低了体系的自放电问题。但Cu沉积带来的低循环寿命问题仍需解决，容量仍需进一步提升。本文在此基础上通过新的设计，解决铜大量沉积活性低的问题，提升了体系的电化学性能，扩展了其在凝胶电解质中的应用。 (1)在Na2SO4/CuCl2电解液中引入表面活性剂四丁基溴化铵(TBAB)。通过TBAB与Cu2+之间的作用，提高电极的界面储能和超级电容器的循环稳定性。实验结果证明:此超级电容器在1Ag-1的电流密度下展现出441.8F g-1的比电容，对比Na2SO4/CuCl2体系下容量提升164％。经过2500次循环后，整个体系的容量保留率为81.8％。 (2)将Na2SO4/CuCl2/TBAB电解液分别与聚乙烯醇(PVA)基体和细菌纤维素基体(BC)复合，制备柔性凝胶电解质。结果表明，在0.5A g-1的电流密度下PVA与Na2SO4/CuCl2/TBAB组装凝胶电解质超级电容器比电容为398.5F g-1，提升为对比样Na2SO4/CuCl2凝胶体系的79％。PVA基凝胶电解质断裂伸长率达到107.10％。此外，具有优异吸液能力和力学性能的细菌纤维素(BC)在超级电容器凝胶电解质中应用也非常广泛。传统热压制备的BC基体凝胶电解质强度达到2.93MPa，与Na2SO4/CuCl2/TBAB组装成凝胶电解质比电容进一步提升。 (3)PVA基体具有良好的综合性能和优势。在此基础上将快离子导体Cu2-xSe引入PVA与Na2SO4/CuCl2组装的凝胶电解质中，促进Cu2+在凝胶电解质中的传输。本实验得出Cu2-xSe在PVA中共混的最佳浓度为2wt％，PVA复合凝胶电解质的本体阻抗从4.55Ω降低为1.16Ω，且在0.5A g-1的电流密度下，PVA-2wt％Cu2-xSe共混体系比电容高达359.28F g-1，提升为原来的61.5％。
超级电容器;水系电解质;柔性凝胶电解质;制备工艺;循环稳定性;比电容
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
于运花
2019
中文
TM53;TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）