用于超级电容器电极的生物质炭及其复合材料的制备与性能研究

发布时间：2020-03-24 01:13

【摘要】：近年来对能源提出了清洁化、高效化以及安全可靠的要求,对储能也提出了更高的需求。超级电容器由于其本身超大放电功率以及超长寿命等优势,在储能领域有重要的作用。生物质材料具有绿色环保、可再生以及成本低廉的特点,如果能加以利用,有利于人类社会的可持续发展。本文利用生物质本身的生理结构特性,通过碳化和活化等方法制备了超级电容器电极材料。特别是对生物质复合金属元素制备电化学材料的方法进行了探索。第一章是绪论部分,介绍了超级电容器的分类和储能原理,生物质材料在超级电容器方面的应用以及选题意义。第二章,以生物质材料萝呮为原料,经过先碳化再用氢氧化钾活化的处理方法得到了超大长径比的一维多级孔碳材料。产物管径约4μm,管壁厚约0.2μm,长度4cm到7 cm不等。活化后的材料比表面积达到1394 m~2 g~(-1),孔体积为0.79 cm~3 g~(-1),材料中的孔道以微孔为主,同时也存在介孔和大孔孔道。得益于较大的比表面积,材料的比电容值达到256.5 F g~(-1),而多级孔道减小了电解液离子扩散阻抗,同时超大的长径比有利于减小材料的电子转移阻抗,优良的结构使得材料的等效串联电阻只有0.103Ω。第三章,受到超富集植物会主动吸收生存环境中重金属元素的生理特性启发,使用高浓度的钴离子溶液培养水蕴草,得到了超量负载金属元素的生物质材料。经过活化处理,水蕴草中负载的钴离子生成了直径100 nm左右的钴单质纳米球,均匀分布在碳骨架中。均匀负载的钴纳米球在用作超级电容器电极材料时展现出明显的赝电容特性,产物的比电容值达到了1017 F g~(-1),同时由于碳骨架良好的导电特性和多级孔道结构,使得材料拥有较小的电阻值。通过与乙炔黑制备的电极组成非对称超级电容器,当功率密度为495 W kg~(-1)时,能量密度为55 W h kg~(-1);当功率密度提升到9.27 kW kg~(-1)时,材料仍能保持27 W h kg~(-1)的能量密度。水蕴草繁殖能力极强,绿色环保,而且培养水蕴草所用的钴离子溶液可重复使用,充分满足绿色化学的理念。产物在超级电容器电极材料方面有潜在应用,该实验为生物质复合金属元素合成制备电化学材料提供了新思路。第四章,受到制作豆腐工艺的启发,我们用不同的盐卤对煮沸的豆浆进行点卤,得到了含对应金属盐的豆腐,并进行了实验条件的优化。金属元素在对应的豆腐中有良好的负载,且分散均匀,经过活化处理后,金属盐生成了对应的金属单质纳米球,均匀分散在碳化的豆腐基质中。我们通过分析不同金属在高温条件下对豆腐基质的影响作用,探索了含双金属盐豆腐的制作方法。通过利用铁盐在高温下给豆腐基质带来的孔道结构和钴盐所产生的明显赝电容特性,得到了两种金属协同作用的复合材料,达到了最优的性质。由于铁盐带来的双电层电容和钴单质所展现出的赝电容的共同作用,材料比电容值达到381 F g~(-1),同时钴单质催化促进了碳材料的石墨化程度,增加了材料的导电性,而铁盐带来的丰富孔道则减小了电解液离子扩散电阻,二者共同作用使得材料拥有较小的阻抗,良好的充放电效率和倍率性能。当材料的功率密度提升10倍时,能量密度仅降低了34%。原料易得,成本低廉,合成简单易行,材料在电化学领域有潜在应用,该实验进一步为生物质复合金属元素合成制备电化学材料提供了新思路。最后一章对本论文选取的三个研究体系进行了总结和展望。
【图文】：

1.2 超级电容器储能机理及其分类超级电容器按照储能机理可以分为双电层超级电容器和法拉第电容器，前者通过电荷在材料和电解液的界面处的吸附实现电能的存储，后者一般通过过渡金属氧化物和高分子聚合物表面发生可逆的氧化还原反应来产生赝电容[3, 19, 23-26]。两种电容器在材料构成和电化学性质方面有较大的差别。1.2.1 双电层超级电容器双电层超级电容器依靠静电在材料表面的可逆吸附进行储能，阳离子聚集在负极电极的表面，电解液离子接近电极材料的表面，但不相互接触（图1.2）[27]。超级电容器的比电容值取决于电极材料的比表面积、电解液种类以及双电层的有效厚度

1.2.1 双电层超级电容器双电层超级电容器依靠静电在材料表面的可逆吸附进行储能，阳离子聚集在负极电极的表面，电解液离子接近电极材料的表面，但不相互接触（图1.2）[27]。超级电容器的比电容值取决于电极材料的比表面积、电解液种类以及双电层的有效厚度。比电容的计算公式如下[21, 28-30]：C = 0 (1)公式中 C 代表双电层电容的比电容， r代表电解液的介电常数， 0代表真空的介电常数，d 代表双电层电容的有效厚度，A 代表电极的比表面积。需要注意的是只有能接触到电解液的面积才能对比电容做出贡献，因此适宜的孔道尺寸、结构、电图 1.1 不同储能器件功率密度和能量密度关系图
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6;TB33;TM53

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本文编号：2597564