混合材料在超級電容器中的應用 畢業(yè)論文外文翻譯

附錄 A 英文文獻 附錄 B 中文翻譯 混合材料在超級電容器中的應用 體電化學 J (2010) 14:811816國防工業(yè)部 要 ：在目前的研究中，由 尖晶石中去除鋰可以獲得具有原子范圍孔隙的 此，它可以獲得有效的贗電容特性。另一方面，殘留的鋰依然 保存在 極材料的物理特性，形態(tài)和比表面積用掃描透射顯微鏡和氮吸附測量進行研究。用循環(huán)伏安法、恒流充放電、阻抗譜等進行了二電極和三電極電池的電化學參數(shù)。選用中性 過配置非對稱的活性炭作為負極可以增大超級電容器的電壓。不對稱電容器在電壓范圍 環(huán)測試限于 運行，以及在 100mA/0F/g。能夠達到 36Wh/是功率密度比較一般。 關鍵詞： 氧化錳；贗電容；不對稱超級電容器；活性炭 引言 超級電容器進來引起極多的關注，主要因為與傳統(tǒng)電池相比，它具有高功率密度，更高的效率和更長的循環(huán)壽命 1,2。商業(yè)裝置主要基于兩個不對稱電極和有機電解液，使用有機電解質的超級電容器比使用水系電解質的超級電容器具有更高的電壓穩(wěn)定性。然而，應用有機電解質的裝備從生態(tài)角度來講并不友好，也不安全，更貴，因為它需要特定的制備條件。另外，有機電解質的電導率大約比水系電解質小兩個數(shù)量級；因此，減少了可能的功率，這是另外的一個缺點。我們可以看到從工業(yè)觀點來看水系電解質可能更有趣 ；但是在一個水系方案中，盡管它具有很高的比電容，它的電池電壓也被局限在 1V，隨后，對于工業(yè)應用，能量密度和功率密度都不會令人滿意。 這樣的事實使得人們接受了一種觀念，就是在不對稱裝置中結合兩種不同的電極，都在他們最佳的電壓范圍內進行工作 :負極具有高氫含量超電勢，正極具有高氧含量超電勢。這已經證明了使用混合物系統(tǒng)的電池能夠顯著的提高電壓。 有報道顯示了這種使用復合了二氧化錳并用碳納米管（ 為正極，活性炭作為負極的裝置。這種裝置能夠使比電容達到 200F/g,此外，它還可以在一個廣泛的電壓范 圍 (水系為 2V)內操作，極大的提高系統(tǒng)的能量 3,4。操作電壓的增長是由于存在于活性炭孔隙中可逆的氫吸附實現(xiàn)的 5,6。 另外，將電池的操作電壓最大化電極的電容量是另一個不容忽視的因素，它能夠改善超級電容器的性能。目前新的趨勢致力于材料贗電容特性的應用，它通過快速的和可逆的感應電流反應來儲存能量，尤其是金屬氧化物以及金屬氧化物和碳材料的混合物 7,9。 不同的過渡金屬氧化物如 據文獻數(shù)據，為了合成過渡金 屬氧化物和他們的混合物人們嘗試了不同的方法 7,8。這些實驗包括電沉積或減少多空形態(tài)顆粒大小的氧化物的化學合成，制備碳納米管以及碳材料的復合材料，導電聚合物和混合金屬氧化物；但是材料的儲存能力并沒有顯著提高，這表明制備金屬氧化物 /炭的復合材料的方法仍然沒有被找到。 一些關于鋰夾層化合物如 有機電解質條件下作為電極應用于超級電容器的報道已經被發(fā)表 10,11。同時，使用水系電解質，活性炭為負極， 12。 在我們的文獻中，電性能增強的目的已經被達到，是通過在硫酸中浸入鋰錳氧化物粉末從炭插層混合物中去除鋰離子實現(xiàn)的。在 13,14，以下是反應方程式： 2)4H 3 2面體晶格的一般被錳離子占據，四面體的四分之一被鋰離子占據。尖晶石的化學計量計算，錳離子存在兩個共價形態(tài)， 占一半，因此化學公式可以寫成 5。它已經表明經過酸性水溶液處理過的尖晶石形態(tài)的 料導致轉化的時保留了 13。經過處理，大部分鋰離子從四面體中被轉移走了，但是尖晶石的結構框架被保留了。最終指定最終材料，提到過酸性處理導致了錳的分解，也可能出現(xiàn)一種結果就是部分 子被氧化成價態(tài)更高的 態(tài) 14,16。 在本文中，具有物理化學特性和電化學特性的 分加氫氧化鋰的 外，本文提到了一個水系電解質的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)更加的廉價，更加重要，更加環(huán)保。 實驗部分 材料的準備 鋰錳氧化物 錳氧化物（ ， ）陰極粉末，硫酸（ 95%），硫酸鋰，氫氧化鉀是來自 備碳材料作為負極，在初始前體生物質使用在 750 溫度下化學活化技術活化 此得到的活性炭被標記為 通過在 5 的 100酸水溶液中浸潤 合物攪拌兩個小時。之后，過濾水溶液，再用蒸餾水洗滌數(shù)次，在 100 的空氣中干燥。最終得到了指定的 物理測量 在 77K 下用氮吸附來測定比表面積（ 方法），平均孔隙尺寸是由 010 軟件估算得出的。紋理的細節(jié)和樣品的觀測形態(tài)使用透射型電子顯微鏡（ 利浦和掃描電子顯微鏡 (利浦 525 型。 電化學特性 用于評估電化學特性的電容器由 75%顆?；旌衔锊牧希?20%的乙炔黑和 5%的粘結劑（聚偏氯乙烯（ 801）。在非對稱系統(tǒng)條件下，活性炭 85%活性物質， 10%5%乙炔黑）被用于負極材料。典型的正極材料質量是 極的質量是 級電容器使用 1 的 有的實驗都是在室溫條件下進行的。 該電容值由雙電極世偉洛克 系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)包括循環(huán)伏安法充放電測試和不同的掃描速率，使用 物學法國）。在三極電池情況下 是參考值超過正常的氫電極（ 電容材料的電容值（ 者活性炭）是通過計算單個電極每單位的單位活性物質得出的。比電容由公式 C=i t/(算，其中 i 是用于放電電流， m 是活性物質的質量， 不對稱系統(tǒng)情況下，所有的值都用電極的總質量進行計算（包括正極和負極）。 結果和討論 經 過酸化處理的尖晶石形態(tài)的 時保留尖晶石結構框架（圖 1）。 圖 1 在尖晶石 處理后，大多數(shù)鋰離子從四面體位置中除去，但尖晶石結構框架被保留因為鋰質子交換同樣存在于晶格中剩余的鋰中。希望用補償電荷的質子替換鋰離子。提出上述轉換機制包括此結構中鋰的擴散類似于在 圖 2 顯示了未被處理過的 放大紋理圖 (圖 2a)和酸化處理過的 2b， c)，圖 2a， b 是由掃描電子顯微鏡得出的圖像，圖 2c 是由透射電子顯微鏡得出的圖像。可以清 晰的看到在去除部分的鋰后混合物的形態(tài)發(fā)生了非常明顯的改變；顆粒有了更多的成熟的多孔性，一些在表面上的不正常的孔隙也是可見的。這就提示了反應可能發(fā)生在顆粒的外面，鋰和錳離子可以輕松的溶解在溶液中。 圖 2 a,b)和 c)為尖晶石 (a)的掃描圖像圖像，氧化錳（ b,c） 加氫氧化鋰的氧化錳可以用于電化學測試。如表 1 所見 : 表 1 不同酸度下獲得 經過濃度為 硫酸酸化處理而獲得的 之相反的是在濃度為 5 硫酸酸 化的情況下電容值發(fā)生了明顯的下降。可以假設高濃度的酸可以輕松的溶解氧化錳的框架。這就是為什么在進一步的研究中選擇用濃度為 1的酸來酸化從錳酸鋰中得到的 二氧化錳。 材料的比表面積被確定為，最初的錳酸鋰為 g， 二氧化名的為5m2/g。從氮吸附的文獻的結果的出證明 二氧化錳為中孔材料，它的平均尺寸為 35消旋 /大孔也已經由 實。 這種可以忽略不計的表面面積值表明不能歸因于經典電容材料電荷存儲在雙電層，但是法拉第反應必須參與。計算比表面電容（電容表示每單位表面積的 二氧化錳）達到了一個巨大的值 4200F 而，通常情況下，對于炭來說它的范圍從 10 到 20F 一方面，當給定的比表面電容是 16F 98 3 和圖 4 分別顯示了 二氧化錳和活性炭電極的循環(huán)伏安。 圖 3 兩種電極在 1 的 溶液中操作但是點位范圍不同。 二氧化錳在電視窗為 范圍內工作與之相對的是 種材料的循環(huán)伏安曲線的不具有矩形形狀，但由于法拉第反應，可以觀察 到一些義峰。那些峰與錳的氧化還原過程與同事鋰離子插入 /脫出成 于這一事實即結構初始尖晶石材料的框架內被保存下來。這些峰的潛在值與 熱力學數(shù)據有關。對于活性炭，電位范圍為 ，可以觀察到接近矩形的形狀曲線。這顯示了一個典型的雙電層行為；但是某些氧化還原反應不應該被排除在外，因為氧和氮的存在源于生物質前體。 合物做正極和活性炭做負極導致不對稱電極可以在擴展的潛在窗口內工作。 圖 4 活性炭電極的循環(huán)伏安特性曲線 圖 5 是非對稱系統(tǒng)呈現(xiàn)的電容特性的機理。掃描速度為 11到 2 1。在 表明電解液在這個電勢范圍內保持穩(wěn)定。 圖 5 非對稱系統(tǒng)電容特性曲線 在不同的電流密度和不同的電壓范圍內恒流充放電測試用于估算電化學性能，如比電容值，能量和功率。調查顯示，這個電容器在電勢范圍 流密度為 200mA/g 到 流密度 100mA/g 下工作。這些結果分別在圖 6 和圖 7中顯示。 圖 6 1 1定電流密度 100 mA g1 下不對稱充 放電曲線 圖 7 1 100 mA g1電流密度下非對稱電容充放電曲線 在活性炭作為負極的情況下，所述的充電電荷以靜電形式以及可逆的氫存儲機制形式存在。對于 拉第反應包括了錳的各種氧化狀態(tài)的充放電過程。這是恒流充放電曲線非理想形狀的原因（可以觀察到是凸形狀的曲線而不是三角形的，特別 是對于較低值得恒定電流。圖 8 是不同電流密度下放電時和放電電壓的關系圖。由圖中這些充放電曲線可以看出放電時間隨著施加電流的增加而降低，因此，電容降低。這是因為氧化還原反應取決于 插入的例子脫出或質子的電解質。在較低的電流密度，離子能夠滲透到電極材料的內部，幾乎可以通過電極所有的孔隙，這導致一個完整的插入和事后脫出的反應；但是在較高的電流密度下，離子插入在贗電容材料中的有效利用僅限于外電極表面。這導致特定電容值的減少。同樣的現(xiàn)象可以在增加電壓掃描速度時觀察到 。 圖 8 1 1同 電流密度下非對稱電容充放電曲線 由于掃描速度的增加，循環(huán)伏安法得出的描述偏離了理想的電容特性。這種行為的主要原因是，較高的掃描速率阻止了離子向電極的所有孔隙中移動。在高速率掃描 中，離子的移動被限制，這是由于它們的擴散速度較慢，并且只有外表面可以用于電荷存儲。這也得到了關于電化學阻抗頻率范圍從 100 1使等效串聯(lián)電阻不是很高，但是擴散的局限性非常明顯。 在不同電流密度下不同的不對稱超級電容器的特點呈現(xiàn)在 繪圖中。對兩電極計算特定的能量密度（與添加劑一起）。顯然，對于能量和功率計算，電壓值不隨歐姆值下降。可以獲得 36高水平值。但是該系統(tǒng)不能提供高功率。在 1804得注意的是，這種異常的氧化錳材料仍沒有 被優(yōu)化。 試驗已經著手電極 /電解液的建模和計算機模擬電化學特性。人工神經網絡已經被用于決定和預測長期次循環(huán)充放電特性。 結論 應經被證明的是應用兩種不同的電極材料并使他們在最佳能力范圍內工作，能夠擴展超級電容器的工作電壓并使整個系統(tǒng)的電壓達到 2V。細節(jié)分析（理論上和實驗上）表明，比起炭電極的電勢，二氧化錳的電極運行在一個更窄的電壓范圍（約 由加氫氧化鋰的 容量為 60F/g，基于兩電極的總重量計算的（正極和負極）。已經證明不對稱配置的電容 器要比對稱的裝置要優(yōu)秀。氧化錳是從尖晶石中得來的一種非常有前途的材料，但是需要進一步改善。 參考文獻 1. (2000) is J 1:37. 03780)00485. E (1999) . , , , (2005) of as J 52:. , , (2006) of an V in J 53:183. . , , (2004) of in 78:981. . , , , , , (2006) of as in an 4:2392. . , , , , (2006) 82:. , (2007) of 5:304. . , , ,