三维成型超级电容器工艺的机理研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近年来,随着电子产品的大功率、微型化、柔性化等的发展需求,以及诸如可穿戴式、可折叠电子产品和移动智能器件的便携式电子器件的大量涌现,开发柔性且价格低廉、环境友好的微型储能器件对于集成能量转换器件和其他电子电路,构建自供电微/纳米器件系统显得尤为重要。作为一种小尺寸的超级电容器,微型超级电容器不仅拥有常规超级电容器功率密度高、循环稳定性好的优点,还避免了常规超级电容器需要隔膜阻止两电极接触的弊端,缩短电解质离子的输运时间,提高充放电速度。根据研究,微型超级电容器可达到高于电池10倍的功率密度和常规电容器10-100倍的能量密度,在微型电路中可发挥重要作用。因此探索和研究更高性能的微型超级电容器对于微纳器件领域的发展具有非常重要的意义,备受研究人员青睐。相比于传统的卷状结构和三明治结构,采用三维结构既能减小了器件尺寸,增大电极材料在极板上的负载密度,提高微型超级电容器的比电容,还可缩短电极间隙,极大地降低了离子扩散电阻,加快了电解质离子的运输速率,从而提高了微型超级电容器功率密度,对提高微型超级电容器的性能有很大帮助。

电极材料的电化学性能对整个超级电容器件的性能起到很重要的作用,导致在过去的几十年中,已经进行了大量的关于电极材料的实验研究。因此,探索潜在的材料存储机理和开发有效的微图案成型方法是提升目前超级电容器电化学性能的新的方向。常规的微型超级电容器的合成方法主要通过旋涂、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、抽滤成膜、电沉积、原子层沉积、溅射等方法成膜,然后借助掩膜和紫外光刻,使用lift-off、激光刻蚀或氧气等离子体刻蚀等方法得到微型图案。以上方法虽然能够得到精准的微型图案,但一般存在步骤繁琐,能耗高和材料的损失问题。

三维成型技术是集材料科学技术、机电一体化技术、计算机和信息技术为一体的快速成型技术,是一门以数字模型文件为基础,基于“离散/堆积成型”思想,将成型材料以层层加工的方式“堆积”而成的技术。近些年来,作为一种具有良好发展前景的添加型制造(AM)技术,三维成型技术备受制造业和学术界的关注,并被相信能对能源,生物技术,微流体,电子,工程复合材料等领域产生极大的冲击和影响。使用三维成型技术,可通过AutoCAD等建模软件建立立体模型,借助三轴控制系统和挤料装置,直接使微型电极成型,不仅可省略繁琐的步骤,降低能耗,减少材料损失,而且能突破模板的限制,得到满足特定结构需求的微型电极。Marcus A. Worsley等制备了石墨烯基R-F凝胶,通过三维成型的方式,形成堆积的三维图案,然后配合模板造孔、热还原等手段,制备出孔隙丰富、机械强度高的三维电极。为运用三维成型技术制备石墨烯基微型超级电容器提供了技术上的可能。Liangbing Hu等通过配制高浓度的氧化石墨烯基浆料,运用三维成型技术,成功合成具有优异电输运性能的插指型锂电池,为制造多维/多尺度复杂结构的储能器件提供了有效参考。由此可见,运用三维成型工艺,不仅可以通过控制调节石墨烯基凝胶材料的浓度,还可以通过三维设计电极结构,控制电极的机械强度,从而使微型超级电容器的性能得到提高。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:以氧化石墨烯为原料,去离子水为溶剂,制备氧化石墨烯浆料;通过电机驱动挤压注射器和三轴控制系统,成型石墨烯基三维方格结构,并碳化热解;以硫酸镍为原料,硼酸为添加剂,通过电化学沉积金属镍三维框架;进一步以醋酸锰为原料,硫酸钠为添加剂,通过电化学沉积mno2

材料表征:对rgo/ni/mno2材料进行结构表征和电化学性能测试,通过xrd、xps、tem、sem等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并采用循环伏安(cv)、恒流充放电(et)等电化学测试技术对其电化学性能进行了系统评估。

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3. 研究计划与安排

第1-4周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究方法、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第5-7周:按照设计方案,制备rgo/ni/mno2材料。

第8-12周:采用xrd、sem、tem、cv、eis等测试技术对材料的物相、显微结构、比表面积、电化学性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] zhang l l, zhao x s.carbon-based materials as supercapacitor electrodes[j]. chemical societyreviews, 2009, 38(9): 2520-2531.

[2] armand m, tarascon j m.building better batteries[j]. nature, 2008, 451(7179): 652-657.

[3] choi c, kang m k, kim kj, et al. improvement of system capacitance via weavable superelasticbiscrolled yarn supercapacitors[j]. 2016, 7:13811.

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