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《江西理工大学》 2018年
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铌酸钾的可控制备及其电化学储能研究

王香卫  
【摘要】:随着对化石燃料(煤、石油、天然气等)需求的增涨,能源危机和环境污染越来越严重,急切的需要发展高效,清洁,可再生的新能源。为了配合新兴的电力生产技术的有效利用,先进的储能技术引起了广泛关注。超级电容器同时具备长循环寿命、高功率密度和高倍率性能、大比容量以及环境友好等特点,可填充其他电源(电池、燃料电池)的不足。特别是在对功率要求较高的领域(如超级电容器动力公共汽车,快速充电车辆等),取得了喜人的成就。K_4Nb_6O_(17)是离子交换层状结构的无机物,其结构中有两种交替层,即K~+离子所在的中间层I和II,中间层在水溶液中为水合状态,表现为角和边缘共享的NbO_6八面体构成,K~+离子处在两层之间,起到补偿负电荷的作用。因为其结构的特殊性,为离子的转移供应了可行的通道。本文主要研究不同铌酸钾纳米材料的制备在电容器和锂离子电容器方面的应用。(1)“自上而下”制备了K_4Nb_6O_(17)大尺寸纳米片。本章通过高温固相反应得到K_4Nb_6O_(17)(3 mm左右),然后通过正丙胺进行剥离得到K_4Nb_6O_(17)纳米片(2 nm厚),最终进行掺碳处理。通过对不同掺碳温度的探索,合成了一系列K_4Nb_6O_(17)-C复合材料并通过测试选出最优为800℃处理得到的产品。作为超级电容器的负极材料,K_4Nb_6O_(17)-C-800在电流密度为0.5 A g~(-1)时比电容为330 F g~(-1)(三电极系统测试,电解液为6 M KOH),在100 A g~(-1)时比电容为161 F g~(-1),并且拥有良好的循环寿命,当10 A g~(-1)时,10 000次充放电初始比电容的保持率在95%以上。应用在锂离子电容器中表现出良好性能(1 mV s~(-1)时电容贡献达84%)。这些优良的电化学特性得益于其具有极薄的厚度,良好的离子转移率,极低的电导率以及表面多孔碳的包覆有效提高了其比表面积,使其储能过程中,电极材料和电解液能充分接触,更有利于离子和电子的传输。(2)自下而上合成铌酸钾簇状结构。本章通过两步简单的溶剂热反应,由无定型的Nb_2O_5成功合成了铌酸钾纳米线簇(PNNWCs)。SEM看出该材料具有多孔有序的类珊瑚层状结构。受益于这个独特的结构特征,所得PNNWCs在超级电容器的电化学储能方面表现出优异的性能(碱性条件下,比电容在电流密度为0.5 A g~(-1)时达到417 F g~(-1),100 A g~(-1)时175 F g~(-1))。特别的,在超高电流密度下也同样表现出优异的循环稳定性(50A g~(-1)经过10 000次循环后几乎没有观察到电容损失)。当用在锂离子电容器的研究时,显出杰出的可逆性和稳定性。
【学位授予单位】:江西理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ131.13;TM53

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