基于木材取向孔道结构的超级电容器性能研究

发布时间：2020-07-16 03:30

【摘要】：随着经济的快速发展世界能源不断消耗,能源成为了当今社会最关注的主题之一。在许多应用领域中,一些最有效和实用的电化学能量转换和储存装置主要是电池、传统电容器和超级电容器。而超级电容器与传统电容器相比能量密度要大几个数量级,与电池相比功率密度明显较高且循环寿命较好。但超级电容器的性能受到很多因素的影响,主要是电极材料与电解液。在本文当中,我们主要研究了对其性能影响最大的电极材料。生物质作为一种有前景的可再生资源,具有来源广泛、成本低廉和绿色可持续等优势,利用生物质功能材料作为原材料是目前电极材料领域的研究热点,尤其是利用木材来制作超级电容器引起了科研工作者的极大兴趣。木材是一种来源广泛、价格低廉、具有优异力学性能的材料。它可以在惰性气体的高温下碳化以保持其相互连接的多通道多孔结构,这种相互连接的多通道结构为离子提供了大的运输表面积。在本文中,我们利用两种孔隙大小、管胞尺寸及形状不同的木材制备了性能优异的超级电容器电极材料。主要研究内容如下:(1)我们利用杉木作为原材料对物理活化时间及材料厚度进行了探究。经过探究找到了最佳的活化时间为10 h,最佳材料厚度为0.8 mm。我们还利用硝酸和氢氧化钾在木材管胞壁上刻蚀了一些介孔与微孔,进一步增大了电极的比表面从而增大其比电容;(2)为进一步提高电容器电化学性能,我们利用了两种方法在木头管胞内填充二氧化锰赝电容物质。二氧化锰是一种廉价的、无毒性的金属氧化物。理论比电容可达1370 Fg-1。在上述研究基础上,设置140 ℃的温度条件,我们以杨木为负载平台利用水热反应法将高锰酸钾(KMn04)直接作为还原剂,在杨木管胞内上载了二氧化锰(MnO2)。在浓度为10 mM L-1的条件下得到的复合电极面积比电容可达3.497 F cm-2;(3)使用水热法电极材料可以进行大规模制备,方便进行批量生产。然而,利用水热法合成复合电极,上载的二氧化锰质量不可控。而恒电位电化学沉积可以精确控制上载的二氧化锰质量。利用这种方法我们在杉木管胞内合成了二氧化锰纳米薄片,其可进一步增大电极材料的比表面积从而提升杉木片电化学性能。在二氧化锰负载量为110mgcm-2时,复合电极材料比电容可达到187.5Fg-1。本文利用绿色可持续生物质碳材料,制备了一种高能量密度、功率密度以及比电容的电极材料。根据本文研究内容,可大规模生产以木材为电极材料的超级电容器,进一步推动超级电容器的绿色发展。
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53
【图文】：

等效电路图,奈奎斯特图,交流电,等效电路图

在较高频率下，超级电容器变为纯电阻，表明电解质离子在高频下不能逡逑渗透微孔。逡逑奈奎斯特图（图２．１）是描述电化学阻抗的另一个表达式。它用图形表示阻抗逡逑的虚部Ｚ（ｆ）”，阻抗的真实部分Ｚ（ｆ）’［６（）］。根据奈奎斯特图，电荷转移电阻为该表逡逑达式上的半圆直径。在高到低频率（１０４－１Ｈｚ）中观察到伪电荷转移电阻与电极的逡逑多孔结构有关。相反，在非常低的频率（＜ｌＨｚ），纯电容行为是阻抗图的一个关逡逑键特征。理论上，纯电容与奈奎斯特图的虚轴平行［６７］。然而，在正常情况下，在逡逑绘图线和实轴之间存在倾斜角度（４５邋ａｎｄ邋９０邋），其与理想的电容离子扩散一致（通逡逑１６逡逑

透射电镜,不同厚度,扫描速率,充放电曲线

基于木材取向孔道结构的超级电容器性能研宄逡逑３．２．４活化木片透射电镜表征逡逑ＳＨ逡逑图３．３邋ａ）邋ＰＷＣ的透射电镜图；ｂ）邋ａ的高倍图像逡逑Ｆｉｇ邋３．３邋ａ）Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ＰＷＣ；ｂ）Ｍａｇｎｉｆｉｅｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ａ逡逑图３．３显示了在Ｃ０２中活化１０邋ｈ的０．８邋ｍｍ杉木片切片介孔结构的ＴＥＭ图逡逑像。介孔直径在２？４０邋ｎｍ之间，可提供短电子和离子传输途径。此外，壁上有大逡逑量的微孔，有利于增加材料的比表面积。逡逑３．２．５不同厚度活化木片的电化学性能分析逡逑３）逦邋６ｂ）逦邋疒邋ｃ）逦逡逑００邋＇邋Ａ邋ｈ邋—二晒邋一邋１，邋Ｚ邋＾５０；邋—２０ｍＡｃｍＪ邋，逡逑＞＂°２逦／邋／邋Ａ！逦—。．６咖逦．二逦一ｇ４０．逡逑

基于木材取向孔道结构的超级电容器性能研究

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【参考文献】