聚苯胺2f石墨烯2ftio2纳米管阵列复合材料的制备及其在超级电容器的应用

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1绪论1.1超级电容器概述1.1.1超级电容器的研究背景和意义随着科技的快速发展和全球人口的急剧增长，生态环境恶化，资源和能源日益短缺，使能源问题面临着越来越大的压力，研究者们一直致力于新型能源的开发，同时又着眼于追求环境友好。在这种情况下，以太阳能、水能、风能、海洋能、地热能为代表的新能源或可再生能源迅速崛起，由此开发了多种新的能量转化和存储系统。近年来开发的储能器件，诸如锂离子电池、镍镉电池、太阳能电池等已在军事、医疗、航空航天、汽车及电子产品等领域中普遍应用。然而，这些储能器件存在功率密度低，充电时间较长等不足，此外电池在进行大电流的

2、充放电过程时活性物质会发生降解从而降低电池的使用寿命，制约着它们的发展。电化学超级电容器作为一种新型的储能器件，它兼具传统电容器比功率大和电池比能量高的双重优点，而且其充放电可逆性好，循环寿命长，不污染环境，因此超级电容器在电子元件、移动通讯、新能源汽车、国防科技等诸多领域都着广阔[1,2]的应用前景。1.1.2超级电容器的原理及分类超级电容器按储能机理的不同，分为双电层电容器（EDLC）和氧化还原准电[3,4]容器。①双电层电容器的工作原理双电层电容器（EDLC），在电极表面可以形成正负电荷的对峙，即构成双电[5]层。如此构成的双电层电荷层间比较紧密，层间距高于传

3、统的电容器，所以其电容量也高。这种电容器没有法拉第反应，材料在反应中的损耗小，因此循环寿命长。②氧化还原准电容器的工作原理氧化还原准电容器，也称赝电容器或法拉第准电容器，它主要依靠电极内部活性物质的氧化还原反应存储电荷，同时还有少量的双电层电荷吸附，所以被称[6]为氧化还原电容器，这是由Conway首次提出的。氧化还原准电容器的电极材料在多次反复的充放电过程中可逆，不足的是电极材料会有消耗，所以循环寿命不如双电层电容器。但是该电容器电解质溶液的浓度基本维持不变，而双电层的电解液会消耗。氧化还原准电容由于是在整个电极内部产生，EDLC的电容却仅仅在表面，故而电容量比E

4、DLC的高。1重庆大学硕士学位论文1绪论1.1.3超级电容器电极材料超级电容器电极材料性能的好坏在很大程度上决定着电容器的性能。碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物是常见的三种电极材料。①碳材料碳材料具有很好的导电性能，且价廉易得，抗化学腐蚀性能好，有利于实现工业化生产，被广泛用于电化学领域作电极材料。在超级电容器电极材料的研究当中，对碳材料的探索最早，研究较为广泛，目前研究最多的碳材料主要是活性[7-10]炭、碳气凝胶、碳纤维、介孔碳、碳纳米管和石墨烯等。其中，活性碳由于其成本低廉和高比表面积，最早被广泛使用在超级电容器电极材料当中。②过渡金属氧化物过渡金属氧化物材

5、料存储能量主要是依靠活性物质在电极表面或内部发生可逆的氧化还原反应从而产生法拉第赝电容的。在金属氧化物电极材料当中，钌的氧化物因为具有优异的超级电容性能成为研究的热点，比如，RuO2具有比电容高、氧化还原反应可逆性好和循环稳定。然而钌这种贵金属不能大规模投入生产，从而制约了它的应用范围。因此，近年来人们一直致力于探求新的价格便宜的、比电容量高的电极材料，由于镍、钴、锰等的某些氧化物也表现出了相似的优异的比电容性能，况且原料易得、价格低廉，所以吸引了很多研究人员的关注。目前应用在超级电容器最多的金属氧化物有RuO2、Fe3O4、TiO2、V2O5、MnO2、NiO、[

6、11-21]Co3O4和Mn2O3等。③聚合物导电聚合物电极材料，其电容和金属氧化物一样属于赝电容。和金属氧化物不同的是，导电聚合物可以在3.0~3.2V下工作，而金属氧化物只能在低压下工作。导电聚合物作电极材料的电容不仅拥有电极与溶液界面的双电层电容，还有具有电化学活性的导电聚合物发生氧化还原反应的赝电容，其储能一方面发生在电极表面，另一方面发生在整个电极内部，因而使聚合物达到很高的储存电荷密度，[22-24]是目前研究广泛、最具有应用前景的电化学电容器材料。目前，研究最多的导电高分子材料有：聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTH)、聚吡咯(PPY)及它们的衍生物[2

7、5-28]等。1.1.4超级电容器的特点电化学超级电容器成为继传统电容器和电池新兴发展起来的储能设备，有下[29-30]列优势：-1①功率密度和能量密度高。超级电容器能量密度一般在1~10WhKg，是传统电容器的10~100倍，表明其比传统的电容器具备更优的存储电荷的能力。超级电容器功率密度也很高，是电池的10倍甚至100倍。较高的功率密度说明其适用于2重庆大学硕士学位论文1绪论快速的大电流操作，因而超级电容器非常适合应用于需要大电流输出的设备。②充放电速度快。电化学超级电容器充电可选用大电流在几秒的时间内实现，电池却需要更多的时间或者几个小时，超级电容器在充电