生物质基碳功能材料的制备及其电化学性能的研究
发布时间：2021-08-31 05:12
从蒸汽时代到电气时代,再从电气时代到信息时代,人类社会的发展总是伴随着能源技术的革新。自工业革命以来,能源问题与环境问题一直制约着各国的发展。特别是在电子设备愈发小型化和移动化的今天,人们对于能源的供应方式也提出了更高的要求。超级电容器作为一种先进的电化学储能设备,依靠超快的充放电速率,超高的功率密度以及超长的使用寿命等特点受到各国科研工作者的青睐,但超级电容器表现出的低能量密度制约了它的使用。电极材料是决定超级电容器储能性能优劣的关键性因素,因此本论文旨在优化碳材料的合成方法以开发具有高能量密度,高功率密度的实用性碳基双电层超级电容器,具体工作内容如下:（1）利用脱胶行业的副产物丝胶蛋白作为生物质前驱体,KOH作为活化剂两步法制备了具有丰富孔隙结构的碳材料。测试表明,独特的分级多孔结构赋予了电极材料卓越的单位比容量和极佳的传输速率。所制备的AC-1在0.5 A g-1的电流密度下表现出228.5 F g-1的高质量比容量;在10 A g-1的电流密度下,经历20000次循环后的容量保持率为初始容量的84%。（2）考虑到...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构示意图
第一章绪论3并且，一款合适的隔膜能有效降低器件的离子传输阻抗，从而提升超级电容器的储能性能。目前市售的超级电容器隔膜主要由日本高度纸业(NKK)公司与美国Celgrad公司提供。我国关于超级电容器的专利申请主要集中于电极材料的开发，关于隔膜纸的专利申请比例相对较少。由于超级电容器的优势在于高功率地充放电，因此，未来隔膜纸将朝着薄厚度、高孔隙率的方向发展。（3）电解质电解质电离出的离子是电容器内部两个极板之间电荷传输的载体。对电解质的要求有以下几点：高工作电压，高化学稳定性，高离子浓度，低粘度等。常见的电解质根据其常温下的状态可分为固态电解质和液态电解质。液态电解质可根据其溶剂形式进一步分为水系电解液（KOH、H2SO4和Na2SO4等）、有机系电解液（四乙基铵四氟硼酸盐和三乙基甲基铵四氟硼酸盐等）和离子液体。水系电解液的优势在于制备条件简单且没有严格的装配条件限制，并且可以提供较高的离子浓度和较低的电阻，但其工作电压窗口较小（通常小于1.2V），为获得高电压通常需要串联多个电容器[13,14]。有机系电解液可以轻松地实现3.5V的高电压窗口，但有机电解质的溶剂常常具有毒性（例如乙腈等）[15]。离子液体的使用温度范围较广，但也因为昂贵的造价限制了其大规模使用[16,17]。1.2.2超级电容器概述超级电容器（Supercapacitors），又名电化学电容器（Electrochemicalcapacitors），是具有较高电容值的电化学大功率储能设备。其储能原理与常规的电容器类似，即两个平行的板或者导体被介电材料或者非导电区域隔开。图1-2不同电化学装置的Ragone图[18]
电子科技大学硕士学位论文4传统平行板电容器的电容值很大程度上取决于每个极板的面积，其储能方式是典型的物理过程。类似的，对于超级电容器而言，其电极材料通常具有较大的比表面积，因而可以产生较高的比电容值。与传统锂离子电池摇椅式的储能机理不同，超级电容器依靠与电解液接触的电极界面进行储能，因此超级电容器可以快速地释放或存储的电荷，在数秒内完成充放电过程，常作为动力电池使用。图1-2显示了当前超级电容器、电池和燃料电池的能量密度与功率密度的Ragone图。它清楚地显示出燃料电池具有最高的能量密度，而与电池和燃料电池相比，超级电容器的功率密度却相对较高。1.2.3超级电容器的发展历程最早超级电容器可追溯到18世纪中期一种名为“莱顿瓶”的装置，该装置利用一个内外贴有锡箔的玻璃瓶作为容器成功地实现了对静电的存储。图1-3（a）Helmholtz模型；（b）Gouy-Chapman模型；（c）Stern模型最早的双电层理论由德国物理学家Helmholtz于1879年提出。如图1-3a所示，Helmholtz模型是基于空间电荷分布建模的最简单理论，该模型认为，在电极/电解质界面处会形成两层相反的电荷层，电容器的存储电荷能力直接取决于导电多孔电极表面电解质离子的静电吸引力[19]。Helmholtz模型并未考虑到电解质溶液的热运动，基于此Gouy和Chapman对其模型进行改进并提出，由于电解质的热运动，电解质离子会连续分布并形成扩散层，扩散层的厚度部分地取决于离子所具有的动能。该模型阐述了热运动对于双电层形成的影响但忽略了紧密层的存在，当溶液
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的研究进展[J]. 任瑞丽,王会才,高丰,岳瑞瑞,汪振文. 材料导报. 2020(11)
[2]生物质衍生炭材料的多维结构设计及其超级电容器研究进展[J]. 时君友. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]基于离子液体的炭材料制备、改性及应用[J]. 佟国宾,鄂雷,徐州,马春慧,李伟,刘守新. 化学进展. 2019(08)
[4]生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用[J]. 谢召瑞,李晓洁,盛荣,明泽,匡永琪,王琳,胡晓炜. 云南化工. 2019(01)
[5]Fabrication of sulfonated mesoporous carbon by evaporation induced self-assembly/carbonization approach and its supercapacitive properties[J]. Zheng-Fang Tian,Ming-Jiang Xie,Yu Shen,Yong-Zheng Wang,Xue-Feng Guo. Chinese Chemical Letters. 2017(04)
[6]Activated carbon derived from rice husk by NaOH activation and its application in supercapacitor[J]. Khu Le Van,Thu Thuy Luong Thi. Progress in Natural Science:Materials International. 2014(03)
博士论文
[1]生物质基炭材料的结构调控及其电化学性能研究[D]. 张晓华.太原理工大学 2019
[2]过渡金属化合物电极材料的制备及在超级电容器中的应用[D]. 徐睿.华侨大学 2019
[3]富氮碳基材料及其复合材料的合成与电化学电容性质的研究[D]. 郭文.华中科技大学 2019
[4]微波膨化石墨法制备石墨烯材料及其应用研究[D]. 江峰.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
[5]片状多孔碳材料的结构调控及电化学性质研究[D]. 郑晓雨.天津大学 2015
硕士论文
[1]生物质基碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 刘留.石河子大学 2019
[2]氮掺杂碳材料的制备及在超级电容器中的应用研究[D]. 刘云.江南大学 2019
[3]过渡金属/氮掺杂碳基复合材料的制备及其在超级电容器和锌空电池中的应用[D]. 欧旭.苏州大学 2019
[4]多孔碳基超级电容器材料的制备及电化学性能研究[D]. 徐超超.桂林电子科技大学 2019
[5]基于生物质废弃物衍生碳纳米材料的电化学传感器的制备及应用研究[D]. 沙天泽.东北师范大学 2019
[6]来源于笋壳的多孔活性炭制备及其超级电容器性能研究[D]. 韩军建.合肥工业大学 2019
[7]生物质碳基复合材料的制备及其超级电容器性能研究[D]. 南吉星.郑州大学 2019
[8]生物质及其衍生物基多孔炭的绿色制备、表征及其储电性能[D]. 陈祉祎.安徽工业大学 2018
[9]生物质基碳材料的表面修饰及其电化学性能研究[D]. 董仕安.安徽工业大学 2018
[10]生物质碳和镍锰化合物电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 俞帅.浙江农林大学 2018
本文编号：3374262
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的结构示意图
第一章绪论3并且，一款合适的隔膜能有效降低器件的离子传输阻抗，从而提升超级电容器的储能性能。目前市售的超级电容器隔膜主要由日本高度纸业(NKK)公司与美国Celgrad公司提供。我国关于超级电容器的专利申请主要集中于电极材料的开发，关于隔膜纸的专利申请比例相对较少。由于超级电容器的优势在于高功率地充放电，因此，未来隔膜纸将朝着薄厚度、高孔隙率的方向发展。（3）电解质电解质电离出的离子是电容器内部两个极板之间电荷传输的载体。对电解质的要求有以下几点：高工作电压，高化学稳定性，高离子浓度，低粘度等。常见的电解质根据其常温下的状态可分为固态电解质和液态电解质。液态电解质可根据其溶剂形式进一步分为水系电解液（KOH、H2SO4和Na2SO4等）、有机系电解液（四乙基铵四氟硼酸盐和三乙基甲基铵四氟硼酸盐等）和离子液体。水系电解液的优势在于制备条件简单且没有严格的装配条件限制，并且可以提供较高的离子浓度和较低的电阻，但其工作电压窗口较小（通常小于1.2V），为获得高电压通常需要串联多个电容器[13,14]。有机系电解液可以轻松地实现3.5V的高电压窗口，但有机电解质的溶剂常常具有毒性（例如乙腈等）[15]。离子液体的使用温度范围较广，但也因为昂贵的造价限制了其大规模使用[16,17]。1.2.2超级电容器概述超级电容器（Supercapacitors），又名电化学电容器（Electrochemicalcapacitors），是具有较高电容值的电化学大功率储能设备。其储能原理与常规的电容器类似，即两个平行的板或者导体被介电材料或者非导电区域隔开。图1-2不同电化学装置的Ragone图[18]
电子科技大学硕士学位论文4传统平行板电容器的电容值很大程度上取决于每个极板的面积，其储能方式是典型的物理过程。类似的，对于超级电容器而言，其电极材料通常具有较大的比表面积，因而可以产生较高的比电容值。与传统锂离子电池摇椅式的储能机理不同，超级电容器依靠与电解液接触的电极界面进行储能，因此超级电容器可以快速地释放或存储的电荷，在数秒内完成充放电过程，常作为动力电池使用。图1-2显示了当前超级电容器、电池和燃料电池的能量密度与功率密度的Ragone图。它清楚地显示出燃料电池具有最高的能量密度，而与电池和燃料电池相比，超级电容器的功率密度却相对较高。1.2.3超级电容器的发展历程最早超级电容器可追溯到18世纪中期一种名为“莱顿瓶”的装置，该装置利用一个内外贴有锡箔的玻璃瓶作为容器成功地实现了对静电的存储。图1-3（a）Helmholtz模型；（b）Gouy-Chapman模型；（c）Stern模型最早的双电层理论由德国物理学家Helmholtz于1879年提出。如图1-3a所示，Helmholtz模型是基于空间电荷分布建模的最简单理论，该模型认为，在电极/电解质界面处会形成两层相反的电荷层，电容器的存储电荷能力直接取决于导电多孔电极表面电解质离子的静电吸引力[19]。Helmholtz模型并未考虑到电解质溶液的热运动，基于此Gouy和Chapman对其模型进行改进并提出，由于电解质的热运动，电解质离子会连续分布并形成扩散层，扩散层的厚度部分地取决于离子所具有的动能。该模型阐述了热运动对于双电层形成的影响但忽略了紧密层的存在，当溶液
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的研究进展[J]. 任瑞丽,王会才,高丰,岳瑞瑞,汪振文. 材料导报. 2020(11)
[2]生物质衍生炭材料的多维结构设计及其超级电容器研究进展[J]. 时君友. 北华大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]基于离子液体的炭材料制备、改性及应用[J]. 佟国宾,鄂雷,徐州,马春慧,李伟,刘守新. 化学进展. 2019(08)
[4]生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用[J]. 谢召瑞,李晓洁,盛荣,明泽,匡永琪,王琳,胡晓炜. 云南化工. 2019(01)
[5]Fabrication of sulfonated mesoporous carbon by evaporation induced self-assembly/carbonization approach and its supercapacitive properties[J]. Zheng-Fang Tian,Ming-Jiang Xie,Yu Shen,Yong-Zheng Wang,Xue-Feng Guo. Chinese Chemical Letters. 2017(04)
[6]Activated carbon derived from rice husk by NaOH activation and its application in supercapacitor[J]. Khu Le Van,Thu Thuy Luong Thi. Progress in Natural Science:Materials International. 2014(03)
博士论文
[1]生物质基炭材料的结构调控及其电化学性能研究[D]. 张晓华.太原理工大学 2019
[2]过渡金属化合物电极材料的制备及在超级电容器中的应用[D]. 徐睿.华侨大学 2019
[3]富氮碳基材料及其复合材料的合成与电化学电容性质的研究[D]. 郭文.华中科技大学 2019
[4]微波膨化石墨法制备石墨烯材料及其应用研究[D]. 江峰.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) 2018
[5]片状多孔碳材料的结构调控及电化学性质研究[D]. 郑晓雨.天津大学 2015
硕士论文
[1]生物质基碳材料的制备及其电化学性能研究[D]. 刘留.石河子大学 2019
[2]氮掺杂碳材料的制备及在超级电容器中的应用研究[D]. 刘云.江南大学 2019
[3]过渡金属/氮掺杂碳基复合材料的制备及其在超级电容器和锌空电池中的应用[D]. 欧旭.苏州大学 2019
[4]多孔碳基超级电容器材料的制备及电化学性能研究[D]. 徐超超.桂林电子科技大学 2019
[5]基于生物质废弃物衍生碳纳米材料的电化学传感器的制备及应用研究[D]. 沙天泽.东北师范大学 2019
[6]来源于笋壳的多孔活性炭制备及其超级电容器性能研究[D]. 韩军建.合肥工业大学 2019
[7]生物质碳基复合材料的制备及其超级电容器性能研究[D]. 南吉星.郑州大学 2019
[8]生物质及其衍生物基多孔炭的绿色制备、表征及其储电性能[D]. 陈祉祎.安徽工业大学 2018
[9]生物质基碳材料的表面修饰及其电化学性能研究[D]. 董仕安.安徽工业大学 2018
[10]生物质碳和镍锰化合物电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 俞帅.浙江农林大学 2018
本文编号：3374262
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