生物炭基多孔碳及阳离子插层MXene的制备与储能应用

发布时间：2020-05-09 18:53

【摘要】：随着化石能源的枯竭和环境污染的日益加剧,绿色可持续能源显得尤为重要,超级电容器、锂离子电池、钾离子电池等一系列储能装置被广泛研究。本文分别研究了生物质炭基多级孔炭在不同水系电解液中的超级电容器性能以及阳离子插层MXene的储锂(钾)性能及其与不同电解质离子的匹配机制。1、超级电容器是一种新型的能量储存装置,具有充电时间短、功率密度大等特点。以生物质裂解制备生物柴油的残炭为原料,以氢氧化钾为活化剂制备了超级电容器用碳电极材料。所制备的生物炭基多孔炭具有较大的比表面积,同时具有较好的微孔-介孔-大孔的多级孔结构,其比表面积和孔容分别高达2790.4 m~2 g~(-1)和2.04 cm~3 g~(-1)。正是由于这种多级孔结构,以4倍KOH活化制得的BBC-4材料显示了优良的电容特性,在KOH电解液中,比电容值可达到327F g~(-1),在100 A g~(-1)下比电容值仍达到205 F g~(-1),表现出良好的倍率性能;在Na_2SO_4电解液中,工作电压可高达1.6 V,能量密度最高为20.2 Wh kg~(-1)。在KOH电解液中经过120 000次循环后仍保持初次比电容的92%,表现出较强的稳定性。合理的多级孔分布可以在保持原有高质量能量密度的前提下提升体积能量密度。2、提升材料储锂和储钾性能一直是锂(钾)离子电池领域的研究重点。本工作将新型二维材料Ti_3C_2 MXene作为负极材料,针对MXene比容量低和层间易堆叠不利于电解液离子插入的问题,发展了一种季铵离子插层法实现了MXene材料层间距的精准调控,深入研究了该类材料的储锂和储钾特性,揭示了层间距与电解液离子的匹配机制,提升了其储锂和储钾能力。其中,经NH_4~+插层后MXene层间距为1.18 nm,储锂容量为152 mAh g~(-1),较Ti_3C_2(120 mAh g~(-1))提升21%;在2 A g~(-1)下储锂容量为74 mAh g~(-1),较Ti_3C_2(46 mAh g~(-1))提升了60%。系统的电化学测试结果表明季铵离子插层提升了锂离子扩散动力学,促进了锂离子在层间的脱嵌,从而增强了其储锂性能。但是随层间距的继续增大,铵离子较长的碳链发生卷曲阻碍了锂离子的扩散。(C_2H_5)_4NBr@Ti_3C_2层间距为1.48 nm,表现出较强的电容型储钾性能,在0.1 A g~(-1)下比容量为81 mAh g~(-1),较Ti_3C_2(60 mAh g~(-1))提升35%,在2 A g~(-1)下比容量为35 mAh g~(-1)较Ti_3C_2(12.2mAh g~(-1))提升187%。本工作在不改变材料表面化学性质的前提下通过层间距的精确调控提高了MXene的储能性能,实现了致密储能,对其他二维材料层间距的调控也具有重要的借鉴意义。
【图文】：

山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论2图1.1 不同储能装置的比能量和比功率对比图Fig.1.1 Comparisonofspecificenergyandspecificpowerfordifferentenergystoragedevices超级电容器是由导电集流体、电极材料、隔膜和电解液组成。其中，电极是超级电容器的核心，它是由集流体和电极材料组成，电极材料一般选择具有高比表面积、良好导电性的碳材料。集流体既可以利用导线将电极与外电路构成通路，又可以降低电极的电阻，，常用的集流体材料主要有泡沫镍、铜箔、铝箔等。隔膜材料要求具有绝缘性、稳定性、良好的离子透过性、良好的力学性能和对电解液的亲和性。1.3 超级电容器的分类电化学电容器按储能机理可分为两类：双电层储能和法拉第赝电容储能[1]。1.3.1 双电层电容器双电层电容器（ElectricDouble-Layercapacitor，简称EDLC）通过在电极和电解质溶液界面上形成静电双电层而储存能量，其储能机理是双电层理论[9]。图1.2 双电层电容器工作原理Fig.1.2 Workingprincipleofdouble-layerca

图1.2双电层电容器工作原理
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TM912

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本文编号：2656580