典型二维电极材料量子电容的第一性原理计算研究

发布时间：2022-02-13 07:34

　　双电层超级电容器中,界面总电容（C_T）可以表示为1/C_T=1/C_Q+1/C_D,C_D为双电层电容,C_Q为量子电容;虽然界面总电容同时受C_Q和C_D两个物理量的制约,但长久以来研究者忽略了C_Q的贡献,导致部分实验现象无法解释,对进一步提高界面总电容和能量密度缺乏微观机制的理解。我们针对双电层超级电容器储能低的问题,对一些典型二维材料石墨烯基等双电层电极材料进行了结构优化设计,深入理解了量子电容调控的物理机制,得到了增强量子电容的方法,为开发高性能双电层超电容二维电极材料提供了新思路。本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过引入掺杂/共掺杂、缺陷、金属原子及团簇的吸附等对二维电极材料进行了结构优化,实现了对二维材料电子结构的有效调制,提高了量子电容。我们从原子角度深入理解了二维材料的这些新颖特性,揭示了量子电容产生改变的物理根源,对材料储能性质进行了预测,并与实验研究进行了比较。所取得的主要... 

【文章来源】：吉林大学吉林省211工程院校985工程院校教育部直属院校

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超级电容器的基本结构示意图[1]

吉林大学博士学位论文2超级电电容器性能优异，功率密度高、维护成本低、循环寿命长，这使得其在便携式储能设备、电气化交通设备等方面应用前景巨大。超级电容器和电池相比，其缺点是能量密度低。图1.2中Ragone图显示了不同电化学储能器件能量密度与功率密度的对比。如图可知，超级电容器的功率密度远高于锂离子电池，最高可达1.5×103W/kg，但其能量密度远低于锂离子电池。所以，超级电容器和锂离子电池各有优势，它们因优势不同而得到不同的实际应用。提高超级电容器能量密度，同时保持自身优良的功率密度特性，使超级电容器在更多的领域应用是当前研究的关键问题。图1.2各种不同电化学储能器件功率密度与能量密度的对数关系Ragone曲线[2]Figure1.2Ragoneplotshowingthespecificpoweragainstspecificenergyforvariouselectricalenergystoragesystems1.2超级电容器工作原理及分类根据不同的反应机理，超级电容器可分为赝电容电容器、双电层电容器及混合型电容器三类。双电层电容是由电极活性物质和电解液界面形成的Helmholtz双电层存储电荷。离子或者电子在电解液和电极的界面上定向排列形成双电层。当在两个电极间施加电场后，电解液中的阴阳离子在电场力作用下向正负极迁移，最终在电极表面形成双电层。当电极与外电路连通时，电极电荷定向运动而在外电路中产生电流。由此可见，双电层电容器充放电过程中，离子只是在电解

第1章绪论3液与电极界面区域快速迁移，利用电极材料的高比表面积进行离子的物理吸附脱附，并没有涉及到化学反应，因此其功率密度高、充放电速度快，且循环稳定性优异。而赝电容超级电容器的储能机制是利用物质表面或亚表面的氧化还原反应存储电荷，这与电极活性物质的比表面积相关。故赝电容单位面积电极的电荷存储能力比双电层大10-100倍[3,4]。以上两种电容器的储能示意图，见图1.3。混合型电容器是指以赝电容和双电层电容材料分别作正负电极的超级电容器。图1.3双电层超级电容器和赝电容超级电容器储能示意图[5]Figure1.3Schematicofchargestorageinsupercapacitors图1.4传统平板电容器的示意图Figure1.4Theschematicillustrationofaparallelplatecapacitor以传统的平行板电容器作为其最基本的物理模型衍生出了以上两种超级电容器。图1.4是平行板电容器的示意图，两片电极板平行放置，面积A相等，间距为d，并连接外电路。平行板电容器电极板上聚集异性电荷而产生电容。其计算公式：C=εrεoA/d，其中εo和εr是真空介电常数和两极板材料的相对介电常数。

【参考文献】：
期刊论文
[1]新颖半导体二硫化钼[J]. 袁明文.  半导体技术. 2013(03)
[2]石墨烯的量子电容[J]. 邱晨光,徐慧龙,张志勇,彭练矛.  物理. 2012(12)



本文编号：3622779