锌空气电池与超级电容器一体化柔性器件制备及性能研究

作     者：候占瑞 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟垂舟

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：四氧化三钴 锌空气电池 超级电容器 公共电极 保水凝胶 

摘      要：近些年,穿戴电子器件飞速发展,这要求与其相匹配的能源器件兼具轻薄、柔性、高能量、大功率等特性。传统单一能源器件既有优点又有不足,独立使用不能满足上述综合性能需求。基于超级电容器开发混合能源器件成为领域内有前景的研究方向,而其中锌空气电池-超级电容器一体化器件的研究备受关注。但其仍存在以下两点问题亟需解决:公共电极结构单一,不能满足不同能源部件差异化工作原理需求,因此电化学特性无法完全发挥且集成效果差;仍采用液体电解质,故而需要严密且笨重的封装结构,阻碍了一体化器件柔性化。针对上述问题,本论文提出一种柔性全固态一体化混合能源器件,集成锌空气电池以提供高能量密度,集成超级电容器以输出大功率密度。将兼具双功能催化和赝电容特性的四氧化三钴(CoO)纳米材料非均匀沉积在碳布(CC)集流体上得到公共正极,以充分发挥锌空气电池和超级电容器各自性能;在氢氧化钾(KOH)/聚乙烯醇(PVA)凝胶中引入可加强氢键作用的四乙基氢氧化铵(TEAOH)制备具备保水特性共用固态电解质,以延长一体化器件使用寿命并提升一体化器件柔性。主要工作如下:首先,针对CoO基超级电容器,采用电沉积法制备出CoO高量负载于CC的复合正极,赝电容特性优异。结合涂覆法制备的活性炭(AC)/CC复合负极、TEAOH-KOH/PVA保水凝胶电解质,并基于正负极电荷匹配原则,组装的柔性CoO(正极)//AC(负极)非对称超级电容器,具备高的工作电压(1.3 V),大的比电容(192 m F cm)和优异的长寿命循环特性。然后,针对CoO基锌空气电池,采用电沉积法,优化沉积时间,制备的超薄CoO镀层/CC复合空气电极,展现出优异的氧还原和氧析出双功能催化特性,实现了电池充放电循环。结合锌箔负极,TEAOH-KOH/PVA保水凝胶电解质,组装的柔性锌空气电池,具备高开路电压(1.32 V),大容量(5.11 Wh cm)和长循环寿命(30 h)。最后,设计并优化电沉积工艺,制备了非均匀负载CoO于CC的公共电极,结合TEAOH-KOH/PVA共用电解质,制备了锌空气电池-超级电容器一体化混合能源器件,所得整体器件集成度高。探究了一体化混合能源器件的运行策略,锌空气电池可满足超级电容器50次充电需求,超级电容器可对外进行高功率脉冲式做功(峰值电流55 m A,功率7.91 m W cm),锌空气电池能量耗尽后可再次补充能量。将两个一体化混合能源器件串联完成了驱动微型电机的应用验证。