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碳纳米管及氧化镍超级离子电容器的研究

梁逵  
【摘要】: 超级离子电容器一种介于电池与传统静电电容器之间的新概念能量储存器件,与传统静电电容器相比,超级离子电容器具有更高的能量密度,与电池相比,超级离子电容器具有更大的功率密度值,从而具有瞬间释放特大电流的特性并且充放电效率高、循环寿命长。由于这些特性使得该器件具有某些特殊功能,其中特别为人关注的是在电动车辆、高功率武器等方面的不可替代的作用,另外可用作电子设备中的备用电源、工业设备的闪光及点火装置。而对于超级离子电容器的研究,主要集中在电极材料方面。本文选定碳纳米管和氧化镍作为超级离子电容器的电极材料,研究了它们的材料制备、电容特性及其影响因素、赝电容形成机理。本文的主要研究内容和创新点归纳如下: 1.用电化学阴极沉积法在Ni基片上制得Ni(OH)_2膜,经热处理得到NiO膜。研究了热处理温度、热处理气氛、电解质溶液、钴掺杂对NiO膜电极赝电容性能的影响,探讨了NiO电极的电容形成机理。其中首次提出用掺杂NiO作赝电容器电极材料。结果发现:当Ni(OH)_2的热处理温度在250-500℃时,随着热处理温度的升高,所得NiO膜电极比电容量逐渐减小;NiO在KOH水溶液中能形成赝电容,但在LiClO_4/PC有机电解质溶液中未能形成赝电容;NiO中掺钴、掺铈使比电容量明显增大。以掺钴的NiO膜为电极,以1mol/L的KOH水溶液为电解质溶液,所得电容器的比电容量可达280 F/g。 2.采用碳纳米管作为超级离子电容器的电极材料,研究了酸回流处理、碳纳米管管径、电解质溶液对纳米管电极超级离子电容器性能的影响,探讨了其电容形成机理,分析了内阻影响因素,对比了碳纳米管电极电容器与活性炭电极电容器的性能。首次提出应用酸回流处理工艺对碳纳米管进行改性,以提高其比电容量。当用酸回流处理的碳纳米管作电极,用30%的H_2SO_4作电解质溶液时,所得超级离子电容器不仅具有明显的双电层电容效应,也能形成赝电容,其比电容量值为102F/g。 3.应用溶胶—凝胶法在经回流处理的碳纳米管上沉积氢氧化镍,热处理得到碳纳米管与氧化镍复合材料,首次提出并应用这一复合材料制备超级离子电容器电极。研究分析了复合电极材料的结构和形貌,碳纳米管与氧化镍复合超级离子电容器的性能。结果表明:碳纳米管与氧化镍复合电极材料兼有碳纳米管和氧 电子科技大学博士学位论文 化镍两者在结构、性能方面的优势,基于复合电极的超级离子电容器在形成双电 层电容的基础上具有赝电容效应,其比电容量、比能量高。实验表明:当氧化镍 质量百分数不超过50%时具有良好的功率特性和频率响应特性;碳纳米管与氧化 镍作复合电极材料的电阻率呈现明显的逾渗现象:以氧化镍质量百分数为50%的 复合电极材料制备电极,比电容量值可达 160 F伯。 4.应用交流阻抗频谱法,对比研究了碳纳米管和活性碳作为电极材料的超级 离子电容器的频率响应特性。其中,碳纳米管块电极超级离子电容器的频率响应 特性为首次报道。结果表明:用碳纳米管块作电极,超级离子电容器在频率 250 InHZ 以下出现“电荷饱和”;而用活性炭块作电极,在频率为 100 InHZ时仍未出现“电 荷饱和”,这说明碳纳米管超级离子电容器的频率响应特性优于活性炭超级离子 电容器的频率响应特性。碳纳米管和活性炭超级离子电容器的阻抗谱中均出现倾 角约为45“的直线段,其相位角均远小于理想电容器的相位角90”。 5.推导了赝电容的基本表达式;按平面电极模型和多孔电极模型对超级离子 电容器的电容机理进行了研究,推导得到了相应的阻抗表达式及电容量表达式。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TB383;TM53

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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10 冯继成;镍基超级电容器电极材料的研究[D];上海工程技术大学;2011年
【参考文献】
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【共引文献】
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5 谢国红;刘国光;孙德智;郑立庆;;啶虫脒水解动力学研究[J];安徽农业科学;2007年30期
6 苗云霞;;纳米材料在DNA电化学生物传感器中的应用[J];安徽农业科学;2010年21期
7 姜言欣;黄祥;蒋文举;;活性炭处理重金属废水的研究与应用进展[J];安徽农业科学;2012年07期
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10 顾家山,何心伟,褚道葆;纳米TiO_2膜阴极电催化合成丁二酸的研究[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2005年03期
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3 耿秋菊;周荣明;印仁和;郁祖湛;;冷轧钢板表面电解涂覆薄层二氧化硅过程研究 Ⅰ.电解工艺对表面涂硅量的影响[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
4 孙建军;谢步高;;半导体芯片铜线工艺中的添加剂作用机理研究进展[A];2007(第13届)全国电子电镀学术年会暨绿色电子制造技术论坛论文集[C];2007年
5 薛杭燕;吴燕翔;郑辉东;;交流阻抗法表征膜液流失研究[A];第三届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2007年
6 宋辉;徐献芝;朱梅;李芬;;三种极化作用下多孔电极单孔模型的计算[A];第九届全国渗流力学学术讨论会论文集(二)[C];2007年
7 闫英;石广玉;;纳米碳管的等价柔性节点空间框架模型[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
8 夏熙;刘洪涛;;一种正在迅速发展的贮能装置——超电容器[A];电动车及新型电池学术交流会论文集[C];2003年
9 张宁;邓浩;张睿;冯哲圣;;阴极电沉积法制备Al-Ti复合氧化膜的研究[A];中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集[C];2010年
10 肖占文;杨邦朝;戴开良;;计算机控制的电化学暂态测量系统[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
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1 常雪婷;海洋优势菌种附着腐蚀Fe_3Al及其复合材料界面与机理研究[D];中国海洋大学;2010年
2 邹妍;海水中锈层覆盖碳钢的腐蚀电化学行为研究[D];中国海洋大学;2010年
3 张勇;纳米碳纤维的批量制备技术与装置研究[D];湖南大学;2010年
4 梁钦锋;扩散火焰形态及气化炉内熔渣沉积与传热规律研究[D];华东理工大学;2010年
5 崔毅琦;无氨硫代硫酸盐法浸出硫化银矿的工艺和机理研究[D];昆明理工大学;2009年
6 金会心;织金新华磷矿稀土赋存状态及其在浮选、酸解过程中的行为研究[D];昆明理工大学;2008年
7 张启波;咪唑基离子液体在锌电沉积中的作用机理研究[D];昆明理工大学;2010年
8 张利胜;金属纳米线阵列的制备及其表面增强光谱研究[D];昆明理工大学;2008年
9 蒋雪松;用于有机磷农药残留检测的免疫生物传感器的研究[D];浙江大学;2008年
10 赵芳;蛭石—水溶液体系中锌、镉离子吸附特性与离子吸附理论[D];中南林业科技大学;2007年
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1 苏志俊;稀土元素对Ni60自熔性合金涂层组织和性能的影响[D];河南理工大学;2010年
2 尹永奎;钨、钼酸钡微纳米材料的控制合成及荧光性研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
3 李高飞;数控选区电沉积快速成型的成型质量研究[D];浙江理工大学;2010年
4 秦瑞红;气体膨胀液体的热力学性质研究及其在碳纳米管功能化修饰中的应用[D];郑州大学;2010年
5 任振伟;高压扭转工艺对生物镁锌钙合金组织及性能的影响[D];郑州大学;2010年
6 赵明艺;氮掺杂中孔碳纳米壳的制备、表征及其电化学性能[D];辽宁师范大学;2010年
7 刘兰;导电高分子修饰活性炭电极的制备与电化学性能研究[D];中国海洋大学;2010年
8 贺明辉;TiO_2、SnO_2复合纳米膜的制备及光生阴极保护性能研究[D];中国海洋大学;2010年
9 于会华;咪唑啉磷酸酯类缓蚀剂的制备及其缓蚀性能研究[D];中国海洋大学;2010年
10 杨柳;全彩色蓄光材料的制备及发光性能研究[D];中国海洋大学;2010年
【同被引文献】
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1 姚晓林,李学良;γ-Mo_2N的制备及其电化学性能研究[J];安徽化工;2002年02期
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3 庞旭;马正青;左列;曾苏民;;超级电容器金属氧化物电极材料研究进展[J];表面技术;2009年03期
4 赵淑红,吴锋,苏岳锋;电化学电容器碳基电极材料研究进展[J];材料导报;2003年04期
5 李晶;赖延清;李颉;刘业翔;;超级电容器复合电极材料的研究进展[J];材料导报;2005年08期
6 陈绍杰;先进复合材料的近期发展趋势[J];材料工程;2004年09期
7 贾志杰,王正元,梁吉,魏秉庆,吴德海,张增民;PA6/碳纳米管复合材料的复合方法的研究[J];材料工程;1998年09期
8 李瑞华,曹海琳,黄玉东,刘立洵,彭敏;PBO纤维表面等离子体接枝改性研究[J];材料科学与工艺;2003年04期
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1 黄小文;电化学电容器及锂离子电池正极材料的研究[D];东北师范大学;2002年
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7 张福强;介孔材料水热稳定性的改进及新型介孔碳材料的水相合成[D];复旦大学;2007年
8 王永刚;高比能量电化学电容器的研究[D];复旦大学;2007年
9 施益峰;纳米浇铸法合成有序介孔高温陶瓷材料及金属硫化物、氮化物材料[D];复旦大学;2007年
10 王虹;金属氧化物电化学电容器电极材料的研究[D];天津大学;2009年
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1 何莉;超大容量赝电容器氧化镍电极材料的研究[D];电子科技大学;2000年
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7 丁古巧;纳米Co_3O_4粉体的固相反应制备、表征和生长机理研究[D];苏州大学;2004年
8 杨晨;纳米金属氧化物的制备及其超级电容特性研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
9 常欣;基于光子晶体纳米结构材料的制备与研究[D];南京航空航天大学;2005年
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【二级引证文献】
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1 孙乐;岳小龙;熊连松;卓放;;基于飞渡电容的级联多电平STATCOM直流侧电压控制方法研究[J];大功率变流技术;2011年04期
2 俞兆喆;徐华蕊;颜东亮;;氧化锰的液相合成及其电容性能[J];材料导报;2010年16期
3 张菲;胡会利;高鹏;;超级电容器用过渡金属氧化物的研究进展[J];电池;2009年05期
4 韩晓辉;张莹;刘开宇;唐有根;;二氧化锰电容材料的制备及性能表征[J];电池工业;2008年01期
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6 黄汉奇;毛承雄;王丹;陆继明;张步涵;;可再生能源分布式发电系统建模综述[J];电力系统及其自动化学报;2010年05期
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级参考文献】
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5 黄绍平;碳纳米管实用的路还远吗?[N];中国电子报;2001年
6 记者 谢昭萍 特约记者 肖萍;我国碳纳米管截短技术获得突破[N];中国化工报;2004年
7 记者 薛冬 通讯员 谭少容;我国率先实现碳纳米管产业化[N];光明日报;2001年
8 本报记者 薛冬 通讯员 谭少容;碳纳米管身价何以远高于黄金[N];光明日报;2001年
9 黄中;碳纳米管及其应用[N];中国知识产权报;2001年
10 冯卫东;数百米超长碳纳米管面世[N];科技日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 梁逵;碳纳米管及氧化镍超级离子电容器的研究[D];电子科技大学;2002年
2 刘丽娜;碳纳米管—双马来酰亚胺体系的摩擦磨损研究[D];浙江大学;2010年
3 徐立华;电晕等离子体改性碳纳米管及其在环氧树脂中的应用[D];浙江大学;2010年
4 梅蕾;碳纳米管/碳纤维多尺度结构制备及其界面增强效果研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 朱幸福;碳纳米管复合材料及碳纳米管为模板的纳米管的制备与性质研究[D];吉林大学;2011年
6 崔伟;表面修饰碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面结构与性能[D];华中科技大学;2011年
7 蒋辽川;半导体金属氧化物修饰碳纳米管的制备及其电催化、光电催化性能的研究[D];华南理工大学;2010年
8 亓钧雷;碳纳米管、碳纳米片、石墨烯及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
9 姚胜红;碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电纳米复合材料的显微结构控制与介电性能的关联[D];北京化工大学;2009年
10 韩占涛;表面活性剂悬浮碳纳米管在孔隙介质中的运移研究[D];中国地质科学院;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐勤;碳纳米管树状分子复合材料的制备及其性能研究[D];上海师范大学;2010年
2 祝丽娟;碳纳米管/二氧化硅/炭黑/溶聚丁苯橡胶硫化胶性能研究[D];南京理工大学;2010年
3 林德盟;高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针[D];南京理工大学;2010年
4 刘晓伟;碳纳米管及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
5 陈晨;碳纳米管的功能化及其复合材料的电化学性能研究[D];北京化工大学;2010年
6 秦瑞红;气体膨胀液体的热力学性质研究及其在碳纳米管功能化修饰中的应用[D];郑州大学;2010年
7 林小静;碳纳米管的低温等离子体改性及其引发苯乙烯接枝共聚[D];天津大学;2010年
8 王蜜;聚硅氧烷接枝碳纳米管及聚合物复合材料的制备与性能[D];东北林业大学;2010年
9 曾静;自由基加成反应在碳纳米管和石墨烯修饰中的应用[D];兰州大学;2011年
10 郭大鹏;分子开关和十字形碳纳米管的输运性质研究[D];兰州大学;2011年
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