氮掺杂类石墨烯碳材料的超级电容器性能研究
发布时间：2019-11-06 16:35
【摘要】：过度的能源消耗和化石燃料的枯竭,加上日益增长的环境问题正在推动能量储存和转换技术的发展。在现有的能量存储和转换技术中,超级电容器以其充电时间快、功率密度高、循环周期长等优点受到广泛的关注。氮掺杂类石墨烯碳材料作为一种低价环保型电极材料,有着广阔的研究空间和应用前景。本文以氮掺杂类石墨烯碳材料为研究对象,分别利用三聚氰胺海绵和氯化钠为模版通过高温固相法合成了三维含氧氮掺杂的类石墨烯碳材料和三维层级多孔氮掺杂类石墨烯超薄碳纳米片。对合成材料的形貌、结构、成分等进行表征,并将样品组装成三电极和两电极表征其电化学性能。基于表征和测试结果对合成的碳材料进行了电容性能研究。主要结果如下:(1)以三聚氰胺海绵为模版,通过两步高温固相法在氮气环境中热解尿素和葡萄糖合成了一种三维含氧氮掺杂的类石墨烯碳材料(PGOCN)。通过SEM,TEM和氮吸附解吸等温线测量表征所制备的样品由折皱氮掺杂类石墨烯碳纳米片嵌入四足碳框架组成,并含有大孔、中观和微孔的层级多孔结构。由于PGOCN材料含有丰富的氧和氮杂原子以及层级多孔结构,我们研究了它在高性能超级电容器中的应用。三电极系统中,PGOCN电极材料在1 A g~(-1)的电流密度下酸性电解液中比电容为348 F g~(-1),而碱性电解液中的比电容为308 F g~(-1)。值得注意的是,PGOCN材料可以在没有粘合剂和导电添加剂的情况下直接切成薄片用6M KOH作为电解质组装成两电极的电子器件。组装好的双电极超级电容器装置在0.2 A g~(-1)电流密度下表现出220 F g~(-1)的高比电容和在3.4 Wh kg~(-1)的能量密度下表现出1.2 kW kg~(-1)的功率密度,并在2000个循环后仍保持优异的循环稳定性。(2)用氯化钠为模版,KOH为活化剂通过原位高温固相法合成的三维层级多孔氮掺杂类石墨烯超薄碳纳米片(HGOCN-A)。组装成三电极系统,以1M H2SO4为电解液,HGOCN-A电极在1 A g~(-1)的电流密度下比电容为456 F g~(-1)当电流密度为20 A g~(-1)时,比电容为366 F g~(-1)。进一步地,我们将制备的材料用PVA/KOH凝胶作为电解质组装成全固态对称超级电容器(ASSs),在0.5 A g~(-1)的电流密度和5 kW kg~(-1)的能量密度下在4.8 Wh kg~(-1)的能量密度下显示出212 F g~(-1)并在2000个循环后仍具有98%的电容保持率。
【图文】：
(4) 根据电解液的不同可分为：水系电容器，有机系电容器，凝胶型电容器。1.2.2 双电层电容器如图1.1所示，双电层电容器是基于电极和电解液中的电荷发生可逆吸附形成界面来储存能量的。充电时，电极的正负极分别存储正电荷和负电荷。在电场的作用下电解液中的阴阳离子向相反的方向进行迁移（其中阳离子向负极迁移）并在电极和电解液的界面之间形成双电层；放电时，外接电路将电容器的正负极导通，电容器的内部电子从负极往正极移动从而外电路产生从正极到负极的电流，，处于界面的阴阳离子又重新返回到电解液中。整个充电和放电过程是电荷的物理迁移过程。双电层电容比电容计算公式为[9]：4Cd \* MERGEFORMAT (1.1)其中，C ——双电层电容器的比电容； ——介质的介电常数；d ——双电层的有效厚度。图 1.1 双电层超级电容器的工作原理Figure 1.1 Schematic representation of an EDLC1.2.3 赝电容电容器“赝电容”概念最早由B.E. Conway 提出[10]。赝电容的反应机理与双电层电容中电荷的物理迁移过程不同，是一个法拉第过程。赝电容可以分为两种类型：
1.2.4 超级电容器的性能特点图1.2对比了超级电容器与锂离子电池、燃料电池等其他储能装置的功率密度和能量密度特点[12]。从图中可以看出，超级电容器的具有比传统电容器更大的能量密度和比二次电池更大的功率密度，弥补了电池和传统电容器之间的空白。表1.1对比了超级电容器、传统电容器和电池的常规性能并总结出了超级电容器具有以下特点：(1) 充电时间短。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，可以在大电流的情况下进行充电，因此与其他的储能装置相比可以在很短的时间内完成充电。(2) 功率密度高。由于超级电容器内阻很小，电荷存储在电极和电解液界面且充放电速率远大于化学电池，故超级电容器拥有高的功率密度。(3) 超长的使用寿命。由于超级电容器的充放电过程基本上是可逆过程因此超级电容器拥有高达510 的循环次数。(4) 放置时间长。超级电容器放置一段时间后会自放电到低电压状态，重新充电后可以恢复到原来的状态。(5) 安全性高、对环境无污染。超级电容器主要用碳材料作为电极材料
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53
本文编号：2556796
【图文】：
(4) 根据电解液的不同可分为：水系电容器，有机系电容器，凝胶型电容器。1.2.2 双电层电容器如图1.1所示，双电层电容器是基于电极和电解液中的电荷发生可逆吸附形成界面来储存能量的。充电时，电极的正负极分别存储正电荷和负电荷。在电场的作用下电解液中的阴阳离子向相反的方向进行迁移（其中阳离子向负极迁移）并在电极和电解液的界面之间形成双电层；放电时，外接电路将电容器的正负极导通，电容器的内部电子从负极往正极移动从而外电路产生从正极到负极的电流，，处于界面的阴阳离子又重新返回到电解液中。整个充电和放电过程是电荷的物理迁移过程。双电层电容比电容计算公式为[9]：4Cd \* MERGEFORMAT (1.1)其中，C ——双电层电容器的比电容； ——介质的介电常数；d ——双电层的有效厚度。图 1.1 双电层超级电容器的工作原理Figure 1.1 Schematic representation of an EDLC1.2.3 赝电容电容器“赝电容”概念最早由B.E. Conway 提出[10]。赝电容的反应机理与双电层电容中电荷的物理迁移过程不同，是一个法拉第过程。赝电容可以分为两种类型：
1.2.4 超级电容器的性能特点图1.2对比了超级电容器与锂离子电池、燃料电池等其他储能装置的功率密度和能量密度特点[12]。从图中可以看出，超级电容器的具有比传统电容器更大的能量密度和比二次电池更大的功率密度，弥补了电池和传统电容器之间的空白。表1.1对比了超级电容器、传统电容器和电池的常规性能并总结出了超级电容器具有以下特点：(1) 充电时间短。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，可以在大电流的情况下进行充电，因此与其他的储能装置相比可以在很短的时间内完成充电。(2) 功率密度高。由于超级电容器内阻很小，电荷存储在电极和电解液界面且充放电速率远大于化学电池，故超级电容器拥有高的功率密度。(3) 超长的使用寿命。由于超级电容器的充放电过程基本上是可逆过程因此超级电容器拥有高达510 的循环次数。(4) 放置时间长。超级电容器放置一段时间后会自放电到低电压状态，重新充电后可以恢复到原来的状态。(5) 安全性高、对环境无污染。超级电容器主要用碳材料作为电极材料
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53
【参考文献】
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本文编号：2556796
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