摘 要

为了追求混合型超级电容器更高的能量密度和功率密度，本文研究了碳布上纳米TiO₂阵列的合成及其赝电容型嵌锂行为，通过改变水热合成中丙酮的用量以及碳布后处理的温度来探究这两者对纳米TiO₂阵列的载量、形貌结构、电化学性能的影响。实验结果表明，增加丙酮的用量可以有效增加碳布上纳米TiO₂阵列的载量，但是高倍率性能会随之下降且充放电平台也会变小；高温后处理会使阵列生长更加细密，充放电平台更加明显，电容型电荷存储量、电荷存储总量以及高倍率性能也有所提高，但是在200 ℃到400 ℃范围内，后处理温度对TiO₂的晶型、充放电平台以及高倍率性能的影响不大。

关键词：混合型超级电容器；纳米TiO₂阵列；赝电容型嵌锂

Abstract

In order to pursue hybrid supercapacitor which both has high capacity and high rate capabilities, this paper focus on the synthesis of nano-TiO2 array on carbon cloth and its pseudo-capacitance type. By changing the amount of acetone in hydrothermal synthesis and the post- Temperature to explore the effect of the two on the loading, morphology and electrochemical properties of the nano - TiO2 array. The experimental results show that increasing the amount of acetone can effectively increase the loading of nano-TiO2 array on carbon cloth, but the high magnification performance will decrease and the charge and discharge platform will become smaller. After the high temperature post-treatment will make the array grows better, charge and discharge platform is more obvious, the capacitor type charge storage and the total amount of charge storage , high magnification performance also increased, However, in the range of 200 ℃ to 400 ℃, the post-treatment temperature has little effect on the crystal form, charge-discharge platform and high-magnification performance of TiO2.

Keywords ：Hybrid supercapacitor; Nano - TiO₂ arrays; Pseudo-capacitive type intercalation.

目录

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2超级电容器 1

1.2.1超级电容器分类 2

1.2.2 超级电容器的结构 2

1.2.3电荷存储原理 2

1.3混合型超级电容器 3

1.4超级电容器的研究进展 4

1.5 TiO₂材料 4

1.5.1 TiO₂材料与电池 5

1.5.2 TiO₂材料与电容器 5

1.5.3 TiO₂材料的缺点与改进 5

1.5.4纳米TiO₂材料的制备 6

1.6 小结 7

第2章 实验设计与方案 8

2.1实验仪器 8

2.2 实验试剂及实验材料 8

2.3 实验制备 9

2.3.1碳布制备 9

2.3.2 粉末制备 9

2.3.3 电池制备 9

2.4 材料性能表征 10

2.4.1 XRD分析 10

2.4.2 SEM分析 10

2.5 电化学性能分析 10

2.5.1 首两轮充放电测试 10

2.5.2 高倍率测试 11

2.5.3 循环伏安(CV)测试 11

2.6 实验方案 11

2.7 小结 12

第3章 实验数据及分析 13

3.1种晶、不同丙酮添加剂对TiO₂阵列生长的影响 13

3.2后处理温度对TiO₂阵列的形貌和晶型结构的影响 15

3.3电化学性能测试 17

3.3.1 20 ml丙酮制得碳布电化学性能测试 17

3.3.2 30 ml丙酮制得碳布电化学性能测试 19

3.3.3 循环伏安（CV）测试 21

第4章 结论与展望 24

4.1结论 24

4.2展望 24

参考文献 26

致谢 27

第1章绪论

1.1引言

伴随着全球范围内的能源枯竭和环境污染的问题，清洁能源日益走进人们的视线，而在这些清洁能源之中，传统的二次电池，比如说锂离子电池凭借着其电压高，比容量高，体积小，质量轻，无记忆效应，无污染，自放电小，寿命长的特点成为了研究热点^[1]~[3]。特别是近年来，由于研究技术及应用领域（如混合动力汽车和智能电网）的拓展，具有高能量高功率密度的锂离子电池的重要性日益突出。然而目前锂离子电池的发展现状是单纯的二次电池结构无法满足新的技术和应用发展对锂离子电池的高功率密度的需求。与传统二次电池相对的是超级电容器，它有着明显优于传统二次电池的寿命长度和功率密度，但却也在能量密度上远不及传统二次电池，因此许多的研究者对于提高超级电容器的能量密度做出了大量的研究，目前主要的有效途径有两种，一是通过提高电容器电极材料的比电容来提高电容器的能量密度，二是通过不对称混合型超级电容器体系来提高电容器的能量密度，即电容器的一极采用活性炭电极，而另一极则采用赝电容电极材料，这样可以通过提高电容器的工作电压进而提高其能量密度。

在赝电容电极材料中，TiO₂就是性能相对优秀的一种，特别是纳米TiO₂更是有着优秀的赝电容型储锂能力。除此之外，TiO₂晶面间距大，晶格结构应变极小，极化程度很低，形貌可控，资源丰富，无污染，最重要的是它嵌锂电位高，能在充放电过程中避免锂枝晶和固相电解液界面膜SEI的形成，不会在电池过充电时，因金属锂在材料的表面析出，形成的锂枝晶而造成容量的衰减和爆炸安全隐患^[4]。

1.2超级电容器

超级电容器一词来源于传统电容器，它是指一种介于传统电容器和化学电源（如锂离子电池）之间的新型的环境友好型储能体系^[5]，一方面，它拥有传统电容器所没有的大容量，高能量，长寿命等优点，另一方面它也拥有高的功率密度和长的循环寿命。换而言之，超级电容器结合了化学电源和传统电容器的优点，因此它吸引了研究者的关注并且成功应用在了交通能源，电子类产品等领域。

表1-1 参数比较^①

①数据来源：赵雪，邱平达，姜海静，等.超级电容器电极材料研究最新进展[J].电子元件与材料， 2015,34（1）：1-8.

1.2.1超级电容器分类

超级电容器有很多种分类方法，根据电能的存储转化机理可以将其大致分为两类：双电层电容器，赝电容器（即法拉第准电容器）^[6]。而根据两极的电能存储机理是否一致又可以分为对称型超级电容器和不对称型超级电容器。根据电解质分类则可以将超级电容器分解为水性电解质电容器和有机电解质电容器，这种分类的标准并不是唯一的，比如说电解质还可以根据其不同的形态分为固态电解质，液态电解质，而与之相对应的超级电容器则可以分为固态电解质电容器和液态电解质电容器。

1.2.2 超级电容器的结构

超级电容器的机构和传统电容器（电解电容器）的结构十分类似，两者的主体都是由电极、电解质以及隔膜材料组成的，其他的辅助材料如端板，引线等也类似。二者最大的区别在于超级电容器的电极材料采用的是电池的电极材料，目的是加强电容器的能量密度，提高其电化学性能。

1.2.3电荷存储原理

双电层电容器，顾名思义它的存储原理是通过电极材料与电解液界面之间形成双电层电容来存储电能，也就是说充电时电荷是保持在电极材料和电解质之间形成的双电层里的，因为这种储能没有经过实质的化学反应，而是凭借电解质的电化学极化实现的，故而这是一种可逆的储能过程。