导电聚合物柳絮热解碳复合材料的制备及其超级电容性能的研究

发布时间：2020-05-16 16:40

【摘要】：在过去的几十年中,随着过度消耗化石燃料和日益增长的环境污染问题越来越严重,探索一种绿色的可持续能源成为我们目前亟需解决的课题之一,同时我们也需要研究具有更高效率的能量转换途径和更先进的能量存储技术。超级电容器是一种典型的能量存储装置,它拥有极好的功率密度以及卓越的循环稳定性,因此它已经在许多先进的能量存储系统中引起了广泛的关注。导电聚合物作为赝电容器电极材料已经得到了普遍地研究。然而,一个不可避免的问题就是在反复地充放电过程中导电聚合物的主干网上常常会发生离子的嵌入或脱出,这造成了它会经历一个持续的膨胀/收缩过程,进而导致了严重的结构崩塌和急速的容量衰减。规避该问题的有效途径之一就是将具有高赝电容性能的导电聚合物和结构性质稳定的碳材料相结合从而形成复合材料。本论文先使用化学活化中的氢氧化钾活化法使柳絮转变为交联碳纳米片,随后利用简单的一步原位化学氧化聚合反应制备聚吡咯/交联碳纳米片和聚苯胺/交联碳纳米片复合材料。我们通过一系列的物理表征,如扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪和傅立叶转换红外光谱仪等研究了复合材料的整体形貌、分子结构和物质组成等物理性质,并且利用循环伏安测试、恒流充放电测试和交流阻抗测试分析了复合材料的超级电容性能。电化学测试数据表明,当电流密度从0.1 A g~(-1)升高至5 A g~(-1)时,聚吡咯/交联碳纳米片电极的比电容从313.75 F g~(-1)降到236.37 F g~(-1),容量保持率为75.34%。2000次循环后该电极的比电容为231.44 F g~(-1),是初始值的85.68%,最后一次循环的库伦效率为97.95%。当电流密度为0.1 A g~(-1)时,聚苯胺/交联碳纳米片电极的比电容为442.46 F g~(-1)。我们使用两个质量相近的聚苯胺/交联碳纳米片电极组装了对称型超级电容器,使用的电解液为1 mol L~(-1) H_2SO_4溶液。该电容器最大的能量密度为28.91 Wh kg~(-1),此时的功率密度为85.12 W kg~(-1),具有极好的循环稳定性,循环10000次后,容量保持率高达90.50%,并且拥有杰出的库伦效率(保持在100%左右)。在此基础上,我们通过氧化还原反应得到了二氧化锰/聚苯胺/交联碳纳米片三元分层复合材料,并对其进行了一系列的电化学测试。比电容最大可达434.79 F g~(-1)(电流密度为0.1 A g~(-1)),在电流密度1 A g~(-1)下,2000次循环后该电极的比电容为293.85 F g~(-1),为初始值的88.36%,2000次循环内该电极的库伦效率在100%左右。
【图文】：

超级电容器,结构示意图,阴阳离子

哈尔滨工程大学硕士学位论文化物以及导电聚合物这三种。对集流体的要求有以下两点：（1解，不与活性物质或者电解液反应；（2）能与活性物质充分接12-14]主要起着介质的作用，，为电极反应提供阴阳离子，并确保储应或离子吸附是可逆的，通常可根据电极的特性来选择最适宜的电容性能。]的作用是阻止电子通过，保障电解液中的阴阳离子正常扩散，发生短路，从而影响电容器的正常使用。常用的隔膜有聚乙烯（）隔膜、玻璃纤维和电容器纸等。

示意图,充放电过程,示意图,超级电容器

图 1.1 超级电容器的结构示意图1.2.2 超级电容器的分类基于储存能量原理的不同，超级电容器可以分为三大类：电化学双电层电容器（Electrochemical Double-Layer Capacitor，EDLC）、法拉第电容器和混合电容器。1. 电化学双电层电容器电化学双电层电容器是通过在电极材料和电解液之间产生的双电层电容来贮存能量的（图 1.2）。当电极材料与电解液互相接触时，通过库伦力、分子间力和原子间力等作用，在电极材料/电解液界面形成了两层稳定的且电性相反的电荷，称为界面双电层（Electric Double Layer）[15]。电化学双电层电容器充放电过程如图 1.2 所示，充电时电子经由外电路从正极迁移至负极，同时电解液中的阴阳离子以相反的方向同时迁移到电极表面并且吸附到电极表层，电能以电子的形式积蓄在电极/溶液界面上；当电容器与电器形成回路时，电容器会
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM53

【参考文献】