锌离子电容器中的电极研究

作     者：吴金鹏 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈永;余凤

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：炭 羟基 锌离子电容器 炭纸 电极结构设计 

摘      要：水性锌离子电容器(ZIC)具有高比电容、宽电压窗口和良好的安全性,是很有前途的储能设备。众所周知,炭表面的氧官能团对ZIC中的电容性能有重要作用。然而,对于各种氧官能团,尚不清楚哪个官能团起重要作用以及能量存储是什么机制。在此,活性炭(AC)用梯度酸处理以诱导表面氧官能团,主要是羟基,作为ZIC的正极材料,导致电容从120 F/g增加到160 F/g,增加了33.3%。进一步的实验结果和DFT计算表明,仲醇的羟基在存储Zn中起着非常重要的作用,表现出比叔醇更好的电化学可逆性。改性后的正极在不同的弯曲角度下也能很好地工作,在柔性和智能可穿戴电子产品中表现出高商业化潜力。总体而言,这种正极容量的提升策略对于ZIC的规模化发展具有重要意义和指导价值。然而,锌金属负极会出现不均匀沉积,导致枝晶,造成整个装置不能稳定的循环,甚至是枝晶扎穿隔膜,导致电池失效,很大程度上制约了锌离子电容器的商业化前景。炭纸作为一种比较经济实惠,导电性强、且具有坚较为坚固的炭纤维骨架,能够提供稳定电场的集流体材料。当考虑到整个电池,而不仅仅是有源阴极时,还需要进一步的改进来增加能量密度(更重要的是,很少有新的锌金属阳极方法保留了的原始性质。因此,参考锂电池和钠离子电池中无负极概念,我们提出无负极锌电容的概念。使用炭纤维纸电镀取代集流体和锌金属电极,在独立和导电的炭纤维骨架的帮助下,均匀电场,实现长循环。使用炭纸支架的对称电池表现出更小的极化电压,显著延长了循环寿命(超过400小时)和优越的快速充放电能力。这种无负极电极在1A/g循环圈数超过10000。综上,采用炭纸预镀锌的方式取代集流体和锌金属的方式实现了良好的性能,为以后锌离子电容器大规模部署提供了一种有效的方法。