锡氧化物/碳材料复合物的制备及其电化学性能研究(2)

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3.2.1 负极材料：锡氧化物/碳复合材料 14

3.2.1.1 循环伏安曲线 14

3.2.1.2 循环性能 15

3.2.1.3 倍率性能 17

3.2.1.4 交流阻抗谱 19

3.2.2 正极材料：石墨烯 21

3.2.2.1 循环伏安曲线图 21

3.2.3混合锂离子电容器 22

结论 24

致谢 26

参考文献 27

1 引言

随着世界经济的飞速发展，人类也面临越来越多的严峻问题，比如环境污染、能源短缺，资源消耗过大等。人类对于新能源的开发还在不断地进行以满足日益加剧的社会需求，但是这仍旧不足以解决社会快速发展所带来的各种各样的问题。因此，更为行之有效的方法是提高设备的储能效率，而研制出成本低廉、能量密度高、对环境友好的储能装置是当务之急。

近年来，由于能源消耗的日益加剧和全球变暖，能源储存已成为一个关键的技术挑战。在目前的能源储存系统中，锂离子电池（LIBs）和超级电容器被认为是最有前途的设备。然而，利用LIBs或超级电容器储能的现状无法满足混合动力电动汽车和全电动汽车的能源和电力的应用需求。目前，研发出耗能少、寿命长、安全系数高、能量密度和功率密度都高的锂离子电池（LIBs）系统是适应这个社会发展趋势的，并且是人们函待解决的当务之急[1]。在电极材料中，将锡(理论比容量高达990 mAh g-1)与其他材料制备成复合材料，能满足电池高比容和高循环效率的需要，因此被认为是很有希望和潜力取代商业石墨（372 mAh g-1）的负极材料[2-4]。

1.1 锂离子电容器概述

锂离子电容器（ Li-ion Capacitor，简称 LIC），是一种新型的储能设备，Hatozaki O在第16届国际电化学年会上提出了锂离子电容器的最初概念[5]。

锂离子电容既有锂离子电池能量密度大的优点，也有超级电容器的功率密度高的优点，是近年来动力型电源的研究热点和话题之一。因此研究并开发出具有脱嵌锂特性和电容特性的锂离子电容负极材料对目前以及未来社会发展会有重大意义。锂离子电池具有高能量密度和优异的循环性能能满足人们对于能源储备的需求，这么多年来人们一直致力于开发这种新型的电极材料。锂离子电池在二十世纪九十年代问世，之后因其出色的性能而广泛的发展，从而普遍地应用到生活中去。锂离子电池作为一种理想的、小型的环保电源，锂离子电池完全没有“记忆效应”和不含有毒物质也是它的优点，这也是其成为标准电源的重要因素。超级电容器容量相当高,性能卓越，而它的成本却很低廉，是一种绿色节能的新型储能装置,这使的超级电容器得到了快速广泛地应用。相比超级电容器和锂离子电池，锂离子电容器具有以下优点：(1)比容量有了大幅度的提升，甚至比比超级电容器提升了十倍。(2)相比锂离子电池，功率密度更高。(3)使用时没有安全问题，操作方便，寿命长。(4)锂离子电容器充放电循环时间大幅度减少，仅仅需要几分钟甚至几十秒就可以完成一个循环过程。

1.2 锂离子电容器的工作原理

锂离子电容器在一般情况下，负极发生可逆的氧化/还原反应，采用预嵌锂的锂电池电极材料作为负极材料，是法拉第过程；正极发生快速可逆的吸附/脱附反应，采用双电层电容器的电极材料作为正极材料，是非法拉第过程。采用可以实现锂离子嵌入/脱出的材料作为负极材料，具有高表面积的AC作为正极材料，锂盐的有机电解液为电解液[6,7]。锂离子电容器充电时，负极中的锂离子嵌入到负极材料中，阴离子吸附到正极上去；而放电时，负极材料中的锂离子从负极脱出，阴离子从正极上脱附出去。另外，在预嵌锂的过程中，负极的电位降低了，电容器的工作电压范围也有所提高，同时锂离子电容器的能量密度也提高了[8,9]。