基于黑枸杞枝条制备多孔炭和复合碳纳米纤维工艺及性能的研究
发布时间：2020-12-13 02:36
随着化石燃料的迅速减少和能源需求的增加,开发和利用可再生能源并研究新的储能装置已经迫在眉睫。超级电容器是采用电极与电解质之间形成的双电层界面来存储能量的新型电化学储能器件。它具有充电时间短、可靠的循环稳定性、良好的温度特性、节能环保等优点。为制备出性能优越的超级电容器,关键在于研发出适合不同电解液的电极材料。目前,应用于电容器的电极材料主要有碳系材料、金属化合物材料、导电聚合物材料等,而这些材料的资源一般为一些不可再生的材料,如:煤炭、石油及其衍生产品等,并不符合国家可持续发展的观点。生物质材料,尤其是一些生物质废弃物,由于其低廉的成本、可再生性、易获得性和环境友好性,可作为制备电极材料的优良资源。本文采用黑枸杞枝条为基本原料,然后利用不同的方法对其碳化活化,制备出了几种性能优异的超级电容器电极材料。同时,对制备的材料进行结构和形貌等系统的表征和电化学性能测试。主要取得的成果如下:（1）以黑枸杞枝条为原料,在相同的实验条件下,分别以KOH、NaOH、Na2CO3为活化剂,通过化学活化法制备活性炭。考察了活化剂碱性对制备材料比表面积及电容性能的...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器组成结构
基于黑枸杞枝条制备多孔炭和复合碳纳米纤维工艺及性能的研究4应，主要采用某些过渡金属氧化物或者导电高聚物为电极材料。1.2.3.1双电层电容器最早提出双电层储能机理的是德国物理学家Helmholtz，后经Gouy、Grahame等人进一步完善形成现今的完整体系。双层型电容器电荷存储属于非法拉第过程，其电荷和能量的聚集靠静电方式完成[19]，工作原理如图1.2所示。当在两电极上施加电场后，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上，使得电极带电。在电荷中性的要求下，电解液中必然有与电极表面电荷数量相等但符号相反的反离子。带电表面和反离子构成双电层以此来存储电荷。当撤销电场后，电极上的电荷通过外电路进行迁移产生电流，使得电极电位恢复，而电解质中的正负离子则重新进入电解质内部。双电层电容器单电极电容量大小可用公式(1.1)来表达：C=Aε/4πd(1.1)式中：C为电容，A是指电极材料的有效表面积，ε是电解质的介电常数，d是等效双电层厚度。由公式可以看出，双电层电容器存储电荷的大小与电极材料的有效表面积和双电层厚度有关，适当增加比表面积可有效提高电容。因此，寻求具有高比表面积的电极材料对于双电层电容器至关重要。图1.2双电层电容器工作原理图(a)无外加电源时电位(b)有外加电源时电位1—双电层；2—电解液；3—电极；4—负载Fig.1.2Workingprincipleofelectricdoublelayercapacitor(a)Potentialwithoutexternalpowersupply(b)Potentialwithexternalpowersupply1-doublelayer;2-electrolyte;3-electrode;4-load1.2.3.2法拉第赝电容器赝电容器是对双层型电化学电容器的补充，赝电容在电极表面产生，利用了法拉第过程进行电荷存储。赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或者准二维空间上，某些电化学活性物质
硕士学位论文5分析，赝电容器可以分为三个类型:(1)欠电位沉积；(2)氧化还原赝电容；(3)插层式赝电容。对于金属氧化物，其化学吸脱附机理过程为：MOx+yH＋(OH)-+y(-)e-→MOx-y(OH)y(1.2)当在两电极上施加电场后，溶液中的离子电化学吸附到活性物质表面或者近表面，然后与电子发生氧化还原反应并将其转化为电荷储存起来。放电时，反应的离子返回电解液中，存储的电荷通过外电路形成电流，使得电极电位恢复。其原理如图1-3所示。图1.3电化学赝电容器充电状态电位分布图E0-Ea—充电状态正极电位；E0-Eb—充电状态负极电位Fig.1.3ElectrochemicaltantalumcapacitorchargingstatepotentialdistributiondiagramE0-Ea-chargestatepositivepotential;E0-Eb-chargestatenegativepotential1.2.4超级电容器的应用领域超级电容器以其良好的能量密度、使用温度范围广、绿色环保等优点，被广泛的应用于电动汽车、风力发电、军事和工业等领域。目前，根据超级电容器的不同性能，主要被应用于辅助电源、主电源和替换电源[21]。(1)辅助电源：超级电容器作为辅助电源在动力汽车方面的应用一直备受大家的关注。我们知道现今市场上应用的蓄电池普遍功率密度都较低而且在低温下容量衰减速度快，寿命容易终止，而超级电容器正好可以填补其缺点，取长补短。将超级电容器与蓄电池联用，作为电动汽车的动力电源不仅提高了电源系统的功率和安全性，还降低了运营成本，满足电动汽车的技术要求[22,23]。当汽车起步时，燃料电池驱动整车，富裕的功率向超级电容器进行充电；而当车辆进行加速或者爬坡时，超级电容器则提供大电流放电，使汽车正常行驶；车辆减速时，自动充电系统则回收能量到超级电容器进行备用。另外，这两者组合的复合电源系统可以在较低的温度下一次启动
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯/氧化铁复合材料的制备及其超级电容性能研究[J]. 姚亚,徐军明. 通信电源技术. 2018(09)
[2]红薯基活性炭的制备及其电性能表征[J]. 姜明珠,高天,张桂菊. 材料科学与工程学报. 2018(02)
[3]组合法制备MnO2/活性碳复合电极材料及其电化学性能研究[J]. 李祥,郑峰,罗援,罗泳梅,张琼. 功能材料. 2017(08)
[4]静电纺丝法制备煤基纳米碳纤维及其在超级电容器中的应用[J]. 何一涛,王鲁香,贾殿赠,赵洪洋. 高等学校化学学报. 2015(01)
[5]CO2活化温度对N-C复合碳气凝胶结构及电化学性能的影响[J]. 常丽娟,袁磊,付志兵,韦建军,唐永建,王朝阳. 强激光与粒子束. 2014(02)
[6]水蒸气活化法制备椰壳活性炭的研究[J]. 王宁,苏伟,周理,周亚平. 炭素. 2006(02)
[7]电化学阴极沉积制备氧化镍/碳纳米管复合电极的准电容特性(英文)[J]. 王晓峰,阮殿波,梁吉. 化学物理学报. 2005(03)
[8]电化学电容器的特点及应用[J]. 张治安,邓梅根,胡永达,杨邦朝. 电子元件与材料. 2003(11)
[9]超级电容器用多孔碳材料的研究进展[J]. 田艳红,付旭涛,吴伯荣. 电源技术. 2002(06)
[10]“超电容”电化学电容器研究进展[J]. 王晓峰,解晶莹,孔祥华,刘庆国. 电源技术. 2001(S1)
博士论文
[1]新型能源材料—电化学电容器与锂离子电池电极材料的研究[D]. 梁彦瑜.兰州大学 2006
硕士论文
[1]电纺多孔富氮碳纤维的制备及其电化学性能的研究[D]. 董斌.扬州大学 2016
[2]纳米碳管/纳米碳纤维电极超级电容器[D]. 张超.浙江大学 2006
本文编号：2913731
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器组成结构
基于黑枸杞枝条制备多孔炭和复合碳纳米纤维工艺及性能的研究4应，主要采用某些过渡金属氧化物或者导电高聚物为电极材料。1.2.3.1双电层电容器最早提出双电层储能机理的是德国物理学家Helmholtz，后经Gouy、Grahame等人进一步完善形成现今的完整体系。双层型电容器电荷存储属于非法拉第过程，其电荷和能量的聚集靠静电方式完成[19]，工作原理如图1.2所示。当在两电极上施加电场后，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上，使得电极带电。在电荷中性的要求下，电解液中必然有与电极表面电荷数量相等但符号相反的反离子。带电表面和反离子构成双电层以此来存储电荷。当撤销电场后，电极上的电荷通过外电路进行迁移产生电流，使得电极电位恢复，而电解质中的正负离子则重新进入电解质内部。双电层电容器单电极电容量大小可用公式(1.1)来表达：C=Aε/4πd(1.1)式中：C为电容，A是指电极材料的有效表面积，ε是电解质的介电常数，d是等效双电层厚度。由公式可以看出，双电层电容器存储电荷的大小与电极材料的有效表面积和双电层厚度有关，适当增加比表面积可有效提高电容。因此，寻求具有高比表面积的电极材料对于双电层电容器至关重要。图1.2双电层电容器工作原理图(a)无外加电源时电位(b)有外加电源时电位1—双电层；2—电解液；3—电极；4—负载Fig.1.2Workingprincipleofelectricdoublelayercapacitor(a)Potentialwithoutexternalpowersupply(b)Potentialwithexternalpowersupply1-doublelayer;2-electrolyte;3-electrode;4-load1.2.3.2法拉第赝电容器赝电容器是对双层型电化学电容器的补充，赝电容在电极表面产生，利用了法拉第过程进行电荷存储。赝电容，也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或者准二维空间上，某些电化学活性物质
硕士学位论文5分析，赝电容器可以分为三个类型:(1)欠电位沉积；(2)氧化还原赝电容；(3)插层式赝电容。对于金属氧化物，其化学吸脱附机理过程为：MOx+yH＋(OH)-+y(-)e-→MOx-y(OH)y(1.2)当在两电极上施加电场后，溶液中的离子电化学吸附到活性物质表面或者近表面，然后与电子发生氧化还原反应并将其转化为电荷储存起来。放电时，反应的离子返回电解液中，存储的电荷通过外电路形成电流，使得电极电位恢复。其原理如图1-3所示。图1.3电化学赝电容器充电状态电位分布图E0-Ea—充电状态正极电位；E0-Eb—充电状态负极电位Fig.1.3ElectrochemicaltantalumcapacitorchargingstatepotentialdistributiondiagramE0-Ea-chargestatepositivepotential;E0-Eb-chargestatenegativepotential1.2.4超级电容器的应用领域超级电容器以其良好的能量密度、使用温度范围广、绿色环保等优点，被广泛的应用于电动汽车、风力发电、军事和工业等领域。目前，根据超级电容器的不同性能，主要被应用于辅助电源、主电源和替换电源[21]。(1)辅助电源：超级电容器作为辅助电源在动力汽车方面的应用一直备受大家的关注。我们知道现今市场上应用的蓄电池普遍功率密度都较低而且在低温下容量衰减速度快，寿命容易终止，而超级电容器正好可以填补其缺点，取长补短。将超级电容器与蓄电池联用，作为电动汽车的动力电源不仅提高了电源系统的功率和安全性，还降低了运营成本，满足电动汽车的技术要求[22,23]。当汽车起步时，燃料电池驱动整车，富裕的功率向超级电容器进行充电；而当车辆进行加速或者爬坡时，超级电容器则提供大电流放电，使汽车正常行驶；车辆减速时，自动充电系统则回收能量到超级电容器进行备用。另外，这两者组合的复合电源系统可以在较低的温度下一次启动
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯/氧化铁复合材料的制备及其超级电容性能研究[J]. 姚亚,徐军明. 通信电源技术. 2018(09)
[2]红薯基活性炭的制备及其电性能表征[J]. 姜明珠,高天,张桂菊. 材料科学与工程学报. 2018(02)
[3]组合法制备MnO2/活性碳复合电极材料及其电化学性能研究[J]. 李祥,郑峰,罗援,罗泳梅,张琼. 功能材料. 2017(08)
[4]静电纺丝法制备煤基纳米碳纤维及其在超级电容器中的应用[J]. 何一涛,王鲁香,贾殿赠,赵洪洋. 高等学校化学学报. 2015(01)
[5]CO2活化温度对N-C复合碳气凝胶结构及电化学性能的影响[J]. 常丽娟,袁磊,付志兵,韦建军,唐永建,王朝阳. 强激光与粒子束. 2014(02)
[6]水蒸气活化法制备椰壳活性炭的研究[J]. 王宁,苏伟,周理,周亚平. 炭素. 2006(02)
[7]电化学阴极沉积制备氧化镍/碳纳米管复合电极的准电容特性(英文)[J]. 王晓峰,阮殿波,梁吉. 化学物理学报. 2005(03)
[8]电化学电容器的特点及应用[J]. 张治安,邓梅根,胡永达,杨邦朝. 电子元件与材料. 2003(11)
[9]超级电容器用多孔碳材料的研究进展[J]. 田艳红,付旭涛,吴伯荣. 电源技术. 2002(06)
[10]“超电容”电化学电容器研究进展[J]. 王晓峰,解晶莹,孔祥华,刘庆国. 电源技术. 2001(S1)
博士论文
[1]新型能源材料—电化学电容器与锂离子电池电极材料的研究[D]. 梁彦瑜.兰州大学 2006
硕士论文
[1]电纺多孔富氮碳纤维的制备及其电化学性能的研究[D]. 董斌.扬州大学 2016
[2]纳米碳管/纳米碳纤维电极超级电容器[D]. 张超.浙江大学 2006
本文编号：2913731
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2913731.html
