SiC基超级电容器电极材料制备及电化学性能
化石能源的使用带来的资源枯竭和环境恶化问题，促使人类迫切需求开发利用可持续型能源和存储装置。在众多新兴的能量转换和存储设备中，超级电容器因为其功率密度高、充放电速度快和极长的循环寿命而受到广泛关注。当前，超级电容器电极材料的研究工作主要集中在碳材料，但大多数已报道的碳基超级电容器的工作温度一般低于100℃，其高温循环稳定性无法得到保证。因此，面向宽温稳定服役的新型超级电容器研发，成为当前该领域面临的挑战之一。 在半导体家族中，SiC被认为是第三代半导体材料中的重要一员，拥有优异的物理/化学性质，如高热导率、低热膨胀系数、高电子迁移率、耐腐蚀、优异的抗热震性和化学稳定性等，在研发面向苛刻环境如高压/大功率/高温服役的光电器件，具备显著优势。然而，当前研发的SiC基超级电容器普遍存在比电容小和能量密度低的核心问题，同时其宽温电化学特性还鲜有文献报道。本文围绕SiC基超级电容器电化学特性和稳定性的协同强化开展研究工作，取得主要研究结果如下:(1)采用OCVD(氧化化学气相沉积)方法在SiC纳米线表面沉积PEDOT(聚乙烯二氧噻吩)涂层，实现了SiC@PEDOT纳米复合材料的制备及其结构调控。得益于复合材料丰富的活性位点和良好的电导率，其电极在电流密度为0.2mAcm-2时，比电容达到26.5mFcm-2，为纯SiC电极的～370％。构建的对称式超级电容器，经过10000次循环后的电容保持率为104％，表现出优异的循环稳定性。 (2)以SiC纳米线阵列为骨架，通过电沉积碳量子点和后续热处理，实现了SiC@C纳米复合材料的制备及其结构调控。其电极在电流密度为0.2mAcm-2时，比电容达到78.98mFcm-2，相较于纯SiC纳米线电极的比电容(9.56 mF cm-2)提高了700％。所构建的水基超级电容器拥有比电容高、充放电速率快、倍率性能优异和循环寿命长(10000次循环，电容保留率为94.1％)等优异的综合电化学特性。所构建的离子液体基超级电容器拥有2.6V的宽工作电压窗口，能量密度达2.84μWhcm-2(功率密度为65.1μWcm-2)，高于已报道的SiC基和大部分其他双电层电容材料的纳米线超级电容器。 (3)采用液相腐蚀的方法，实现了具有齿状结构的SiC纳米线阵列电极的制备及其结构调控。研究表明液相腐蚀处理不仅增加纳米线比表面积，而且能够有效提高纳米线电导率，改善电化学反应动力学。在水系电解质中，其比电容达到23.6mFcm-2(0.2 mA cm-2)，为源SiC纳米线电极的～3.3倍(7.19 mF cm-2)。构建的离子液体基超级电容器在150℃工作环境下，循环10000次，电容保持率为80％，仅比同样测试条件下0℃时的循环保持率降低了6％。在0℃～150℃范围内持续升温/降温的服役环境下，依然能保持较高的循环稳定性，展现出稳定的高温电化学特性。 (4)采用碳热还原法制备了超长SiC纳米线，并与C纳米管复合，实现了具有良好柔性可剪裁的SiC/CNT复合材料薄膜超级电容器电极研发。其优异的柔性和可剪裁性能主要得益于超长SiC纳米线的尺寸结构。所构建的超级电容器在-30℃循环10000次，电容保持率为95％;当服役温度升高至50℃，循环10000次，其电容保持率为89.3％，表现出优异的宽温服役能力。 综上所述，本文通过SiC微纳结构的调控和设计，实现了高性能高稳定SiC基超级电容器的制备，为面向宽温稳定服役的能源储存器件的研发奠定了基础。
纳米材料;超级电容器;电化学特性;SiC电极;聚乙烯二氧噻吩
山东大学
博士
材料物理与化学
田耘
2021
中文
TM53;TB383
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）