碳布改性及电化学性能研究

发布时间：2020-09-21 15:18

　　 超级电容器具有循环寿命长,成本低以及功率密度高的特点,在能源领域得到了广泛的应用。碳布作为超级电容器的基底材料,具有柔性好,机械性能好以及电化学性能稳定等优点,但是较低的比表面积和容量限制了其在超级电容器领域的广泛应用,因此,如何提高碳布的电化学性能是目前超级电容器领域的研究热点之一。在此背景之下,本文围绕碳布的比表面积和导电性等问题,通过在碳布的表面复合掺氮多孔碳的方法来提高碳布和超级电容器的电化学性能。(1)在水热条件下用叠氮化钠对活性炭和碳布进行改性,提高其导电性。采用NaN_3水热的方法对活性炭进行氮元素的掺杂,氮掺杂活性炭(NAC)的比表面积仍可以达到1903 m~2/g,表面氮元素的掺杂提高了电极材料的导电性,同时增加了电极材料的容量;NAC电极的电荷转移电阻R_(ct)只有2.2Ω;在1 A/g的电流密度下,电极的比容量可以达到51 F/g;对碳布依次进行扩孔和掺氮处理,制备的氮掺杂多孔碳布(NPCC)电极材料比表面积可以达到52 m~2/g;将NPCC电极材料组装成对称的电容器进行充放电测试,在1 mA/cm~2电流密度下,容量可以达到130mF/cm~2;通过计算,当电容器的功率密度为0.375 W/cm~3时,能量密度可达2.03mWh/cm~3;在2.5 mA/cm~2的电流密度下,经过30000次循环充放电后,器件的容量仍可达初始容量的95.8%,具有良好的电化学稳定性。(2)聚吡咯为前驱物,通过高温碳化工艺制备的多孔碳比表面积可以达到2256 m~2/g,由多孔碳组装的对称超级电容器,在LiClO_4/AN电解液中进行测试,当电压窗口为1.25 V时,在0.5 A/g的电流密度下,电容器的容量可以达到62 F/g;当电压窗口为2 V时,在相同的电流密度下测试,电容器的容量增加到112.5 F/g;在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中测试,电压窗口可以提升到4 V。在0.5 A/g的电流密度下,电容器的容量可以达到39.25 F/g,并且能量密度有了很大的提升,可以增长到87.2 Wh/kg。(3)通过碳布表面附着掺氮的多孔碳颗粒来提高比表面积,制备的掺氮多孔碳布(NCC)电极比表面积可以达到147 m~2/g。当电流密度为8 mA/cm~2时,电极的比容量可以达到1.2 F/cm~2;对电极进行50000次的充放电测试,材料的比容量基本上没有衰减;将NCC电极材料作为负极,NCC电极表面沉积二氧化锰得到的复合电极材料(MNCC)作为正极组成非对称的超级电容器。当电流密度为3mA/cm~2时,容量可以达到350 mF/cm~2;当功率密度为208 mW/cm~3,能量密度可以达到2.43 mWh/cm~3。采用电沉积法和氢氧化钾扩孔法,制备氮掺杂多孔碳薄膜包覆的多孔碳布复合电极材料(PCC@NMC),多孔碳薄膜厚度为250 nm,材料的比表面积可以达到244 m~2/g;当电流密度为8 mA/cm~2时,电极的比容量可以达到2.2 F/cm~2;将PCC@NMC电极材料作为负极,组成非对称的超级电容器。当电流密度为4 mA/cm~2时,器件的容量可以达到600 mF/cm~2;组装成柔性的超级电容器可以使32个红色led灯保持16min的高亮度状态。(4)采用电沉积法得到多孔碳薄膜包覆的碳布(NCF),NCF的比表面积提高到84 m~2/g。然后用NaN_3水热的方法进行二次掺氮,得到氮掺杂多孔碳布(NNCF);把NNCF电极材料制备成半电池进行电化学测试,测试的电化学窗口为0.001-3 V;在1 mA/cm~2的电流密度下进行恒流充放电测试,NNCF的首次放电容量可以达到5.1 mAh/cm~2;将表面涂覆钴酸锂的NNCF复合电极材料作为正极,NNCF作为负极,制备柔性的锂离子电池,当电流密度为0.2 mA/cm~2时,放电容量可以达到0.2mAh/cm~2;并且具备良好的倍率性能和循环稳定性。当制备的柔性电池弯折成不同角度测试时,容量基本保持不变,说明其具有良好的机械性能和柔性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53;TB33
【部分图文】：

图 1-1 超级电容器和其他能源器件的比较[17]器概述容器构成又被称为电化学电容器，是在材料电极-电解液界统电容器的容量只有几个毫法拉，超级电容器的对于电池而言，超级电容器具有比较低的阻抗，电容器的充放电速度快，循环寿命高，是因为在附和脱附，并没有发生化学反应和相变过程。但低于电池，不能作为电池的替代物，只能通过合来，构成一个混合的储能系统。是由两个被隔膜间隔开的电极组成，并且被电解液主要有碳材料、氧化物、导电聚合物及这些材料、有机和离子液体等。隔膜的主要作用是防止电

超级电容器的构成

3图 1-3 扩散层示意图[19]主要通过离子的吸附和脱附来实现储能。其模型在ltz 提出，阐述了在电极-电解液的界面会形成两种电极-电解液界面细分为两个区域：内部的紧密层（ 1-3 所示，在紧密层，电极将离子吸附在表面；在。（dlC ）可以认为是紧密层的电容和扩散层的电容

【参考文献】

相关博士学位论文 前4条

1 邱小明;碳基纳米复合材料的制备及其电化学性能研究[D];北京科技大学;2019年

2 代洪秀;功能化聚吡咯纳米复合材料在电化学传感中的应用研究[D];山东大学;2018年

3 侯建华;多孔碳的结构设计及其电化学储能性能研究[D];北京理工大学;2015年

4 黄丛聪;掺杂微/介孔碳材料用于超级电容器的性能研究[D];东北大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 谭玉明;锂离子电池Sb_2O_3负极材料的制备及其性能研究[D];湖南工业大学;2018年

2 杨晨;石墨烯/二氧化锰复合材料的制备及其电化学性能的研究[D];南昌航空大学;2018年

3 刘娜;基于层状二氧化锰构筑的功能水凝胶及其在柔性储能器件中的应用[D];苏州大学;2018年

4 尚嘉茵;碳基柔性电极材料的制备和性能研究[D];西安工业大学;2018年

5 张玲玲;聚吡咯及其复合材料的制备与防腐性能研究[D];西南交通大学;2018年

6 王美娟;聚吡咯的可控合成及其在水处理和超级电容器方面的应用[D];太原理工大学;2018年

7 袁伟;基于聚吡咯电极制备的柔性电化学电容器研究[D];山西大学;2017年

8 常伟晓;聚苯胺/聚吡咯电化学合成及其性能研究[D];武汉工程大学;2017年

9 李娟娟;掺杂聚吡咯及其复合材料的电化学合成与电化学性能研究[D];兰州理工大学;2017年

10 何一涛;碳纤维基超级电容器电极材料的制备与应用[D];新疆大学;2016年

本文编号：2823650