多级孔结构碳材料在超级电容器中的电化学性能研究
发布时间：2021-08-24 13:58
超级电容器是在近代能源危机和环境问题日益加剧的大背景下诞生的一种新型储能器件,其电容值远超普通电容器,具有高循环寿命,高功率密度,支持高速充放电等优点,多孔碳是超级电容器最常用的一种电极材料。本论文通过调节活化方式和孔结构,制备了具有高比电容值和循环稳定性的多级孔结构碳电极材料,并对活化原理,活化过程和影响材料电容性能的因素进行了深入研究。1,以乌拉草为原料,对其进行炭化并使用氢氟酸溶液进行超声清洗,制备了一种包含微孔、介孔和大孔阵列的多级孔碳材料,材料的最高比表面积为724.33m2·g-1,电化学测试证明材料具有良好的双电层电容性能,在6 mol·L-1的KOH电解液中进行三电极测试得到182F·g-1(电流密度0.5A·g-1)的比电容值,在20A·g-1电流密度比电容值仍能保持116 F·g-1,倍率性能良好。此电极材料制作的双电极纽扣电容器经过10000次恒流充放电测试电容保持率为98%。2,以甲基橙（Methyl Oran...
【文章来源】：渤海大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器与普通电容器、化学电池的Ragone图[10]
渤海大学硕士学位论文3双电层超级电容器（EDLC）目前发展速度最快，而且目前已形成产业化，拥有完善的产业链。其原理可以用Helmholtz双电层模型来进行解释，19世纪德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹在研究胶体悬浮液的工作中首次提出双电层概念并建立模型（式1.1）[12]：C=εrε0Ad(1.1)式中εr为电解液相对介电常数，ε0为真空介电常数，A为界面表面积，d代表双电层有效厚度。电极-电解液的界面存在两个离子分布区域，即紧密层和扩散层[13]会分别吸附溶剂化质子和电解质离子，形成极间电势差，如图1-2(a)所示，如果在两个电极之间加入一个小于电解液电解电压的电势差，电解质溶液中的阴离子和阳离子分别会受电场力作用向两个电极移动，并在其表面形成双电层，这一过程与传统电容器在电场作用下产生的电荷极化现象相似，会产生电容效应，双电层就相当于微缩的平行板电容器，由于电荷层之间的距离远小于平行板电容器两个电极之间的距离，所以双电层超级电容器的电荷储存能力远高于普通电容器。双电层超级电容器电容的大小主要由电极材料特性，电极有效面积和电解液的种类决定。图1-2，(a)双电层超级电容器和(b)赝电容超级电容器的存储原理示意图[14]Fig.1-2,Storageprinciplediagramofelectricdoublelayersupercapacittance(a)andpseudosupercapacitor(b).[14]赝电容超级电容器的原理与双电层超级电容器不同，但与化学电池有相似之处，它是利用发生在电极活性材料和电解液界面以及电极活性材料内部的高速可逆的氧化还原反
多级孔结构碳材料在超级电容器中的电化学性能研究4应来存储和释放电能，从使用的电极材料上来看主要分为导电聚合物基赝电容超级电容器和金属氧化物基赝电容超级电容器两种，其储能原理如图1-2(b)。由于储能机理与双电层超级电容器存在本质上的不同，赝电容超级电容器的比电容和能量密度通常高于双电层电容器，但是由于可逆氧化还原反应实际应用中不可能达到完全可逆，因此随着充放电次数的增多，电容器的循环寿命和功率密度会有一定的损失。通常情况下，超级电容器的储能方式并不单一，在赝电容超级电容器中会有一部分双电层电容存在，同样，在双电层电容器中，由于电极材料会存留部分可以产生赝电容的官能团，所以也会有一定比例的赝电容存在[15-16]。混合型超级电容器的两个电极分别使用双电层电极材料例如高比表面积的多孔碳和赝电容电极材料例如MnO2、RuO2、PbO2等可进行高速可逆反应的金属氧化物，两个电极的储能机理不同，这种结合能够将两种电极材料的优势进行结合，具有更高的能量密度、工作电压和比电容值，图1-3为一种PbO2-多孔碳混合型非对称超级电容器在充电状态下的示意图。图1-3，混合型超级电容器结构示意图Fig.1-3,Structureofhybridsupercapacitor.从器件结构角度来看，超级电容器又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器，其中，对称型超级电容器是最常见也是最基本的一种结构，由相同电极材料，相同面积，
【参考文献】：
期刊论文
[1]二氧化碳活化制备杏壳活性炭及对其孔径影响[J]. 陈璐,张秀惠,李向尧,孙柏,周诗奕,马欢欢. 广州化工. 2019(20)
[2]超级电容器研究进展[J]. 肖谧,宿玉鹏,杜伯学. 电子元件与材料. 2019(09)
[3]石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望[J]. 崔超婕,田佳瑞,杨周飞,金鹰,董卓娅,谢青,张刚,叶珍珍,王瑾,刘莎,骞伟中. 材料工程. 2019(05)
[4]多孔活性炭孔径调控研究现状[J]. 刘俊科,孙章,樊丽华,许立军. 功能材料. 2019(03)
[5]碳纳米管膜/MnO2柔性电极材料的制备及其电容性能[J]. 张燕,刘瑞楠,邓建华. 天津师范大学学报(自然科学版). 2019(02)
[6]氮/硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能[J]. 王桂强,刘洁琼,董伟楠,阎超,张伟. 物理学报. 2018(23)
[7]高维激光拉曼光谱的构建与降噪处理评价研究[J]. 张正勇,桂冬冬,马蕴文,沙敏,王海燕. 应用激光. 2018(03)
[8]新能源车辆中的超级电容器[J]. 陈天殷. 汽车电器. 2017(02)
[9]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
[10]氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能[J]. 王桂强,侯硕,张娟,张伟. 物理学报. 2016(17)
博士论文
[1]超级电容器用新型聚苯胺/二氧化锰/多孔碳电极材料的制备与研究[D]. 席云龙.吉林大学 2017
[2]碳质掺杂、复合材料的设计合成及其电容性能研究[D]. 常玖利.河南师范大学 2017
[3]高能量密度超级电容器的电极材料研究[D]. 翟登云.清华大学 2011
硕士论文
[1]多孔碳基超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 宣华青.浙江理工大学 2017
[2]煤基重质有机物制备氮硫共掺杂多孔电极炭的研究[D]. 曹伟然.大连理工大学 2016
[3]光谱法研究高分子薄膜及水溶性体系的结构与性能[D]. 李柏霖.浙江理工大学 2014
本文编号：3360117
【文章来源】：渤海大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器与普通电容器、化学电池的Ragone图[10]
渤海大学硕士学位论文3双电层超级电容器（EDLC）目前发展速度最快，而且目前已形成产业化，拥有完善的产业链。其原理可以用Helmholtz双电层模型来进行解释，19世纪德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹在研究胶体悬浮液的工作中首次提出双电层概念并建立模型（式1.1）[12]：C=εrε0Ad(1.1)式中εr为电解液相对介电常数，ε0为真空介电常数，A为界面表面积，d代表双电层有效厚度。电极-电解液的界面存在两个离子分布区域，即紧密层和扩散层[13]会分别吸附溶剂化质子和电解质离子，形成极间电势差，如图1-2(a)所示，如果在两个电极之间加入一个小于电解液电解电压的电势差，电解质溶液中的阴离子和阳离子分别会受电场力作用向两个电极移动，并在其表面形成双电层，这一过程与传统电容器在电场作用下产生的电荷极化现象相似，会产生电容效应，双电层就相当于微缩的平行板电容器，由于电荷层之间的距离远小于平行板电容器两个电极之间的距离，所以双电层超级电容器的电荷储存能力远高于普通电容器。双电层超级电容器电容的大小主要由电极材料特性，电极有效面积和电解液的种类决定。图1-2，(a)双电层超级电容器和(b)赝电容超级电容器的存储原理示意图[14]Fig.1-2,Storageprinciplediagramofelectricdoublelayersupercapacittance(a)andpseudosupercapacitor(b).[14]赝电容超级电容器的原理与双电层超级电容器不同，但与化学电池有相似之处，它是利用发生在电极活性材料和电解液界面以及电极活性材料内部的高速可逆的氧化还原反
多级孔结构碳材料在超级电容器中的电化学性能研究4应来存储和释放电能，从使用的电极材料上来看主要分为导电聚合物基赝电容超级电容器和金属氧化物基赝电容超级电容器两种，其储能原理如图1-2(b)。由于储能机理与双电层超级电容器存在本质上的不同，赝电容超级电容器的比电容和能量密度通常高于双电层电容器，但是由于可逆氧化还原反应实际应用中不可能达到完全可逆，因此随着充放电次数的增多，电容器的循环寿命和功率密度会有一定的损失。通常情况下，超级电容器的储能方式并不单一，在赝电容超级电容器中会有一部分双电层电容存在，同样，在双电层电容器中，由于电极材料会存留部分可以产生赝电容的官能团，所以也会有一定比例的赝电容存在[15-16]。混合型超级电容器的两个电极分别使用双电层电极材料例如高比表面积的多孔碳和赝电容电极材料例如MnO2、RuO2、PbO2等可进行高速可逆反应的金属氧化物，两个电极的储能机理不同，这种结合能够将两种电极材料的优势进行结合，具有更高的能量密度、工作电压和比电容值，图1-3为一种PbO2-多孔碳混合型非对称超级电容器在充电状态下的示意图。图1-3，混合型超级电容器结构示意图Fig.1-3,Structureofhybridsupercapacitor.从器件结构角度来看，超级电容器又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器，其中，对称型超级电容器是最常见也是最基本的一种结构，由相同电极材料，相同面积，
【参考文献】：
期刊论文
[1]二氧化碳活化制备杏壳活性炭及对其孔径影响[J]. 陈璐,张秀惠,李向尧,孙柏,周诗奕,马欢欢. 广州化工. 2019(20)
[2]超级电容器研究进展[J]. 肖谧,宿玉鹏,杜伯学. 电子元件与材料. 2019(09)
[3]石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望[J]. 崔超婕,田佳瑞,杨周飞,金鹰,董卓娅,谢青,张刚,叶珍珍,王瑾,刘莎,骞伟中. 材料工程. 2019(05)
[4]多孔活性炭孔径调控研究现状[J]. 刘俊科,孙章,樊丽华,许立军. 功能材料. 2019(03)
[5]碳纳米管膜/MnO2柔性电极材料的制备及其电容性能[J]. 张燕,刘瑞楠,邓建华. 天津师范大学学报(自然科学版). 2019(02)
[6]氮/硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能[J]. 王桂强,刘洁琼,董伟楠,阎超,张伟. 物理学报. 2018(23)
[7]高维激光拉曼光谱的构建与降噪处理评价研究[J]. 张正勇,桂冬冬,马蕴文,沙敏,王海燕. 应用激光. 2018(03)
[8]新能源车辆中的超级电容器[J]. 陈天殷. 汽车电器. 2017(02)
[9]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
[10]氮掺杂石墨烯纳米片的制备及其电化学性能[J]. 王桂强,侯硕,张娟,张伟. 物理学报. 2016(17)
博士论文
[1]超级电容器用新型聚苯胺/二氧化锰/多孔碳电极材料的制备与研究[D]. 席云龙.吉林大学 2017
[2]碳质掺杂、复合材料的设计合成及其电容性能研究[D]. 常玖利.河南师范大学 2017
[3]高能量密度超级电容器的电极材料研究[D]. 翟登云.清华大学 2011
硕士论文
[1]多孔碳基超级电容器电极材料的制备与性能研究[D]. 宣华青.浙江理工大学 2017
[2]煤基重质有机物制备氮硫共掺杂多孔电极炭的研究[D]. 曹伟然.大连理工大学 2016
[3]光谱法研究高分子薄膜及水溶性体系的结构与性能[D]. 李柏霖.浙江理工大学 2014
本文编号：3360117
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