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氧化物
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氧化物基电能储存材料的研究,氧化物,电能,储存,材料,研究
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开题报告题目:氧化物基电能储存材料的研究1、毕业设计论文综述1.1研究背景及研究意义近年来，随着我国人民生活水平的提高和产业结构的调整以及电力系统和电子技术的发展，对于电能储存技术和电能储存材料的要求也越来越高，对新型材料的研究也更加的重要了。当前的电能储存按其能量形式可分为物理储能和化学储能，其细分又分为抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导线圈储能、超级电容储能、蓄电池储能、氢储能等1。而其中超级电容储能是其中最为前沿、前景非常好的一种储能方式之一，其作为电能储存器件已广泛应用到各行各业并具有非常广阔的研究空间。超级电容器 (Supercapacitor)又称电化学电容器（Electrochemial Capacitor,EC），是20世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有比传统电容器高得多的能量密度和比电池大得多的功率密度，充放电速度快，循环寿命长2。自其问世以来在世界范围内引发了电化学电容器的研究热潮。电化学电容器作为新型储能材料具有以下特点3,4：（1）超高的容量。电化学电容器的容范围为0.16000F，比同体积的电解电容器容量大20006000倍。（2）高功率密度。电化学电容器的功率密度可以达到2kW/kg左右，为电池的10倍以上，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流，非常适合用于短时间高功率输出的场合。（3）使用寿命长。电化学电容器充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，其理论寿命为无穷，实际可以达到10万次以上，比电池高10100倍。（4）使用温度范围宽。电化学电容器可以在-40+70的温度范围内使用，而一般电池为-20+60。电化学电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所有容量随温度衰减非常小。而电池在低温下容量衰减度却高达70%。（5）充电速度快。电化学电容器可以采用大电流充电，能在几十秒内完成充电过程。而蓄电池则需要数小时完成充电，即使采用快速充电也需要几十分钟。（6）放置时间长 。由于自放电，长时间放置电化学电容器的电压会随放置时间逐渐下降，但再次充电可以充到原来的电位 ，对电化学电容器的容量性能无影响，数年不用仍可保持其性能。（7）免维护，环境友善。电化学电容器用的材料是安全、无毒的，而铅酸蓄 电池 、镍镉蓄 电池用的材料具有毒性。电化学电容器由于以上的特点在国防、航天航空、汽车工业、消费电子、通信、电力和铁路等领域得到了成功的应用，如充当记忆器、电脑、计时器等电子产品的后备电源；用做电动玩具车主电源、内燃机中启动电力、太阳能电池辅助电源，其它家用电器，如数字钟、照相机、录音机、等均可采用电化学电容器来取代电池作为电源，甚至手机、笔记本电脑等的电池也可用电化学电池取代，因此前景十分广阔5。1.2国内外相关研究情况自1957年，美国通用电气公司的Becker关于电化学电容器最早专利的发表掀起了对电化学电容器的研究热潮6，电化学电容器作为本世纪重点发展的新型储能产品之一，正在为越来越多的国家和企业争相研制和生产，其进步之迅速有目共睹。世界范围内电化学电容器的研究概况7国家组织性能能量密度（Wh/kg）功率密度（W/kg）日本Panasonic3V,8002000F34200400法国/美国Saf/Alcatel3V,130F3500澳大利亚Cap-xx3V,120F6300日本NEC511V,1F0.5510俄罗斯ELIT450V,0.5F19001000美国Maxwell3V,10002700F35400600瑞典/乌克兰Superfarad40V,250F5200300美国Powerstor3V,7.5F0.4250美国LANL2.8V,0.8F1.22000美国Pinnacle100V,15F0.50.6200美国Evans28V,0.02F0.130000俄罗斯ESMA17V,20Ah81080100电化学电容器的研究主要包括电极材料制备技术、电解液技术和电容器组装技术，其中最为关键的技术是电极材料制备技术5。其中电化学电容器中的赝电容器以其在相同电极面积情况下获得的是双电层电容器的10100倍，所以近些年，赝电容器正逐步取代双电层电容器成为国内外研发的热点5。赝电容器的电极材料主要为金属氧化物和导电聚合物。目前研究最多的为金属氧化物。J.Melsheimer8用热分解法制得的RuO2的比容为380F/g，J.P.Zheng9等用sol-gel法制得的无定型RuO2xH2O的比容为768F/g。王晓峰10和Liu11用sol-gel法制备的的NiO的比容分别为240F/g和256F/g。梁逵12用电化学阴极沉淀的方法制掺杂Co的NiO薄膜，得到280F/g的比容。张宝宏13等采用固相合成法，使KMn与醋酸锰发生固相反应得到的无定型MnO2的比容达到325F/g。杨邦朝14等制备出纳米氧化锰，在中性电解质中比电容达 143.7F/g。其中RuO2由于具有高比电容循环寿命长高导电性良好的电化学可逆性以及高效率等性能优点而成为最有前景的电极材料。除了RuO2、NiO、MnO2以外，其它氧化物如Co3O415,16和V2O517,18等都有研究。但贱金属氧化物作为电化学电容器材料距离实用化还有一定距离。而导电聚合物自1977年问世以来，一直倍受人们的关注。以导电聚合物为电化学电容器的电极材料，主要是利用了其掺杂去掺杂电荷的能力，也是人们研究的的重点。然而目前已开发的导电聚合物材料热稳定性差，循环性能有待改善，其实用化还需进一步的研究。我国在电化学电容器研究方面起步较晚，整体研究水品明显落后与美国、日本等国。然而，近些年随着经济发展的需求，国家和各企业高校对于电化学电容器的研究投入也在不断加大，其研究水品也在不断提高。从整体看，我国仍需加大重视程度，奋起直追才能赶上世界的脚步。2、本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1本课题研究的主要内容电能储存元件中超级电容器因前景非常好而备受关注。其根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器 (Electric doub lelayer capacitor，EDLC)和赝电容器(Pseudocapacitor)。赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应 ，产生与电极充电电位有关的电容。通常可以分为吸附赝电容和氧化还原赝电容19。本课题拟将主要研究以RuO2xH2O为电极材料的氧化还原赝电容器电极的制备及表征。本实验以RuCl3为原材料将RuO2xH2O电沉积于钛片上，经退火制成电极材料。通过循环伏安特性测试、恒流充放电测试以进行电容量测试、等效串联电阻测试、自放电测试、循环寿命测试，计算其各项参数，确定实验产品的性能。通过红外光谱仪（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）等对电极材料的氧化层的化学结构、结晶水含量、表面形貌、成分比列等进行表征。2.2 研究方案称取RuCl3nH2O固体粉末0.06225g配成10mmol/L的溶液30mL，磁力搅拌下溶解。滴加KOH溶液，将溶液pH值调为2.50，滴加过程中要边滴边搅拌以防止局部浓度过大。将钛片上焊接上钛丝，超声振荡除去钛片表面的污迹，再放于氢氟酸中腐蚀，将钛片表面的氧化膜除去。取出清洗干净，吹干，连于电化学工作站的工作电极与参比电极一起放于RuCl3溶液中，将铂电极放于饱和KCl溶液中，两溶液用盐桥连接，通入恒电流进行电沉积。40min后取出放于恒温烘烤箱，200退火，一小时后取出。再连接于工作电极进行二次电沉积，以不同恒电流沉积一小时取出，进行二次退火2小时，制得产品，然后再对其进行各项性能结构的测试。制备流程：滴加KOH溶液，调pH值调为2.50钛片上焊接钛丝，除去表面的污迹称取RuCl3粉末，配成溶液放于氢氟酸中腐蚀，除去钛片表面的氧化膜连接电化学工作站，开始电沉积放于烘烤箱，200制得产品退火连接工作站进行二次电沉积40min1h1h二次退火制得 产品2h性能结构测试2.3 研究方法1）直流沉积法20：用于制备RuO2xH2O电极材料。2）循环伏安特性测试：给定一个线性变化来回扫描的电位信号，检测电路中的响应电流，从而得到电极状况的信息，用于测试RuO2xH2O电极材料的循环伏安特性。3）恒流充放电测试：主要用于电容量测试、等效串联电阻测试、自放电测试、循环寿命测试等，并用测得的数据计算其各项参数。4）扫描电镜技术、红外分析、热重分析等用来对电极材料的氧化层的化学结构、结晶水含量、表面形貌、成分比列等进行表征。3、本课题研究的重点及难点，前期已开展的工作3.1 研究重点重点研究RuO2电极材料的制备流程及其产品的各项性能结构，了解不同参数对其性能的影响，提高材料的比容及充放电寿命等性能，改善材料的稳定性。3.2 研究难点1）RuO2xH2O的热处理，其准电容与其形态、结构、结晶度（水合度）关系紧密，因此热处理过程对其电化学性能的优化非常重要21。210时RuO2xH2O向晶态转变，比容量变低，150时为无定型结构，本论文选200。2）电沉积时钛片易被氧化。对于直流电流要严格设定，不可过大，对于盐桥、参比电极等要清洗干净，防止被污染影响电位大小，RuCl3溶液要及时更换。3）RuO2xH2O在阳极的电沉积。在RuCl3溶液中加入KOH溶液使其产生钌的络合负离子而阳极运动，在阳极沉积。3.3 前期已开展工作1）联系导师，了解实验课题，查阅文献，认真阅读。2）熟悉了实验基本操作流程以及相关实验。3）熟悉了电镜的仪器操作。4、完成本课题的方案及进度计划（按周次填写）第 1-2 周 做前期准备，查阅相关文献，完成开题报告；第 3 周 熟悉试验流程，进行开题答辩；第 4-7 周 完善设计方案，准备材料，进行实验；第 8 周 完成中期报告，中期答辩；第 9-10周 制备产品；第11-12周 对产物的结构、表面形貌、性能等进行分析；第13-14周 整理实验结果数据，写出完整的毕业论文；第 15 周 毕业答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 王光亮.电能储存技术的分类及特点J.江西电力职业技术学院学报,2008,21(3):1-2.2 陈英放,李媛媛,邓梅根.超级电容器的原理及应用J.电子元件与材料,2008,27(4):6-7.3 张治安,邓梅根,胡永达,等.电化学电容器的特点及应用J.电子元件与材料,2003,22(1):2-5.4 FTITTSDH.Aan analysis of electrochemical.Journal of the Electrochemical SocietyJ.1997,144(6):2233-2241.5 邓梅根.电化学电容器电极材料研究M合肥:中国科技技术大学出版社.2009.1-4.6 BECKER H L.Low voltage electrolytic capacitor.U.S.PatentP.2800616,1957-07-23.7 ANDREW B.Ultracapacition:Why,how and where is the technologyJ.Journal of Power Sources,2001,91:37-50.8 MELSHEIMER J,ZIEGLER D. 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