多级孔碳材料的制备及其电化学储能研究
发布时间：2021-09-08 12:23
多级孔碳材料作为当前的研究热点,其原料来源广泛,制备方法多样化,具有优异的光、热、磁、电等性能,在众多领域具有潜在的应用价值。本论文选取不同聚合物作为碳源,通过不同的方法制备出不同形貌的多级孔碳材料,并探究其作为电极材料在超级电容器电化学储能方面的应用。1.采用废旧塑料聚丙烯（PP）作为碳源,添加一定比例的硫（S）和二茂铁（Fe（C5H5）2）,在高温密闭条件下制备出S掺杂花状碳纳米片,并通过调节碳与KOH比例对碳纳米材料进行高温活化处理得到多孔结构。经过测试表征后,确定碳和KOH质量比1:6作为最佳碳碱活化比例,使材料比表面积高达1922 m2/g,孔体积为2.805cm3/g,在1 A/g电流密度下质量比电容为233.7 F/g,表现出最优的电化学性能。2.采用废旧塑料瓶（PET）作为碳源,氧化镁/乙酰丙酮钴（Mg O/Co（C5H7O2）3）作为组合催化剂,在高温密闭条件下进行碳化,制...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
010年中国的石油储备量与其他发达国家的对比（图片来源：美国能源信息署）
第1章绪论2根据超级电容器的工作原理考虑，电极材料对于超级电容器的电容储量具有决定性影响。目前，超级电容器电极材料的研究热点主要有碳材料、导电聚合物以及金属氧化物三大类[3]，但是不同的电极材料具有各自不同的优缺点。碳材料虽然碳前驱体来源广泛，有价格优势，但是常用的碳材料例如活性炭导电性一般[4]，导致比电容表现不突出。金属氧化物以钌为代表[5]，虽然具备高比容量但昂贵的价格限制了它的广泛使用。导电聚合物的成本较低，但是循环稳定性较差[6]。因此，根据材料的不同特点将其结合起来，发挥优势弥补缺陷，开发出成本低廉，比容量高，制备流程简单的电极材料对实现超级电容器高性能、高普及率具有重要意义。1.2超级电容器1.2.1超级电容器的构成超级电容器依据储能机理的差别，可以将其划分为双电层电容器以及赝电容电容器两大类。双电层电容器是通过带有电荷的正负离子通过物理作用吸附或脱附在电极材料的双电层界面上，从而实现能量的存储与释放；而赝电容电容器是通过在电极材料表面的电解质离子与电极之间发生可逆快速的氧化还原反应，从而进行能量的储存与释放[7]。图1.2圆柱形双电层电容器示意图（图片来源：TDK公司网站）目前，现有的商业化超级电容器种类繁复多样，但是大多是基于双电层结构设计。如图1.2是圆柱形双电层电容器示意图，分别由电解液、电极、隔膜、集流体以及外壳组成。电极是由电极活性材料涂覆到集流体上构成，集流体作为电极活性物质的载体，一方面可以增大电解液与电极材料的接触面积，增多活性位点；另一方面可以起到集结电荷的作用。而电极活性材料是电容器电容性能的关键，通常电极活性材料需要具备有较大的比表面积，适宜的孔径分布，以及优良的导电性。目前常用的电极活
第1章绪论3性材料有碳材料、金属氧化物和导电聚合物，其中碳材料由于具有价格低廉以及稳定性好等特点相较于另外两种更为常用。电解液是超级电容器的重要组成之一，是由电解质、溶剂和添加剂构成。超级电容器的电解液主要分为液体和固体两种，其中液体有水系如KOH溶液、非水系EMITFSI等，而固体电解质有LITFSI/PEO。电解液的选择一般遵循以下原则：溶剂化阴离子极化率高、电导率高、分解电压高、不与集流体发生反应等等，选择合适的电解质有利于离子传导，进而影响超级电容器的性能。隔膜的作用是避免两个电极片接触发生短路而将两个电极片隔离开，常选用电阻小化学性质稳定的聚丙烯膜、尼龙膜等隔膜。1.2.2超级电容器的工作原理根据超级电容器不同的储能原理，可以将其划分为双电层电容器和赝电容电容器两大类[8]。如图1.3为双电层电容器的工作原理图，在没有外加电源时，两个电极的电位都是φ0，电解质中的正负离子分散在电解质内部。当有外加电源进行充电时，电解质中的正负离子分别吸附到负极和正极上，则正极上的电极电位升高至φ0+φ1，而负极上的电极电位降低至φ0-φ1，通过这个过程完成双电层电容器的充电。在放电时，双电层电极上的电子通过外电路从负极流到正极，两个电极上的电位都变成φ0，正负离子脱离负极和正极回到电解质内部[9]。图1.3双电层电容器原理图[10]双电层电容器的单电极电容量可表示为S（1.1）
【参考文献】：
期刊论文
[1]N-doped ordered mesoporous carbon spheres derived by confined pyrolysis for high supercapacitor performance[J]. Juan Du,Lei Liu,Yifeng Yu,Yue Zhang,Haijun Lv,Aibing Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2019(10)
[2]基于柳絮的生物质活性炭制备及电容性能的研究[J]. 林烨,姚路,吴登鹏,张亚非. 电子元件与材料. 2018(10)
[3]熔盐法制备石墨化碳纳米片[J]. 李俊怡,梁峰,田亮,张海军. 机械工程材料. 2018(06)
[4]赝电容型超级电容器电极材料研究进展[J]. 孙银,黄乃宝,王东超,詹溯,李瑞超. 电源技术. 2018(05)
[5]电化学超级电容器电极材料研究进展[J]. 刘云鹏,李乐,韩颖慧,吴天昊,李昕烨. 华北电力大学学报(自然科学版). 2016(06)
[6]超级电容器电极材料研究最新进展[J]. 薛璐璐,秦占斌,高筠,赵南,孙博. 化学工程师. 2015(07)
[7]超级电容器电极材料研究最新进展[J]. 赵雪,邱平达,姜海静,金振兴,蔡克迪. 电子元件与材料. 2015(01)
[8]导电聚合物基超级电容器电极材料研究进展[J]. 冯辉霞,王滨,谭琳,雒和明,张德懿. 化工进展. 2014(03)
[9]当前能源形势及解决能源问题的对策[J]. 张芳. 科技传播. 2013(03)
[10]聚酰亚胺树脂生产和应用进展[J]. 李玉芳,伍小明. 国外塑料. 2009(09)
博士论文
[1]高比能量电化学电容器的研究[D]. 王永刚.复旦大学 2007
本文编号：3390781
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
010年中国的石油储备量与其他发达国家的对比（图片来源：美国能源信息署）
第1章绪论2根据超级电容器的工作原理考虑，电极材料对于超级电容器的电容储量具有决定性影响。目前，超级电容器电极材料的研究热点主要有碳材料、导电聚合物以及金属氧化物三大类[3]，但是不同的电极材料具有各自不同的优缺点。碳材料虽然碳前驱体来源广泛，有价格优势，但是常用的碳材料例如活性炭导电性一般[4]，导致比电容表现不突出。金属氧化物以钌为代表[5]，虽然具备高比容量但昂贵的价格限制了它的广泛使用。导电聚合物的成本较低，但是循环稳定性较差[6]。因此，根据材料的不同特点将其结合起来，发挥优势弥补缺陷，开发出成本低廉，比容量高，制备流程简单的电极材料对实现超级电容器高性能、高普及率具有重要意义。1.2超级电容器1.2.1超级电容器的构成超级电容器依据储能机理的差别，可以将其划分为双电层电容器以及赝电容电容器两大类。双电层电容器是通过带有电荷的正负离子通过物理作用吸附或脱附在电极材料的双电层界面上，从而实现能量的存储与释放；而赝电容电容器是通过在电极材料表面的电解质离子与电极之间发生可逆快速的氧化还原反应，从而进行能量的储存与释放[7]。图1.2圆柱形双电层电容器示意图（图片来源：TDK公司网站）目前，现有的商业化超级电容器种类繁复多样，但是大多是基于双电层结构设计。如图1.2是圆柱形双电层电容器示意图，分别由电解液、电极、隔膜、集流体以及外壳组成。电极是由电极活性材料涂覆到集流体上构成，集流体作为电极活性物质的载体，一方面可以增大电解液与电极材料的接触面积，增多活性位点；另一方面可以起到集结电荷的作用。而电极活性材料是电容器电容性能的关键，通常电极活性材料需要具备有较大的比表面积，适宜的孔径分布，以及优良的导电性。目前常用的电极活
第1章绪论3性材料有碳材料、金属氧化物和导电聚合物，其中碳材料由于具有价格低廉以及稳定性好等特点相较于另外两种更为常用。电解液是超级电容器的重要组成之一，是由电解质、溶剂和添加剂构成。超级电容器的电解液主要分为液体和固体两种，其中液体有水系如KOH溶液、非水系EMITFSI等，而固体电解质有LITFSI/PEO。电解液的选择一般遵循以下原则：溶剂化阴离子极化率高、电导率高、分解电压高、不与集流体发生反应等等，选择合适的电解质有利于离子传导，进而影响超级电容器的性能。隔膜的作用是避免两个电极片接触发生短路而将两个电极片隔离开，常选用电阻小化学性质稳定的聚丙烯膜、尼龙膜等隔膜。1.2.2超级电容器的工作原理根据超级电容器不同的储能原理，可以将其划分为双电层电容器和赝电容电容器两大类[8]。如图1.3为双电层电容器的工作原理图，在没有外加电源时，两个电极的电位都是φ0，电解质中的正负离子分散在电解质内部。当有外加电源进行充电时，电解质中的正负离子分别吸附到负极和正极上，则正极上的电极电位升高至φ0+φ1，而负极上的电极电位降低至φ0-φ1，通过这个过程完成双电层电容器的充电。在放电时，双电层电极上的电子通过外电路从负极流到正极，两个电极上的电位都变成φ0，正负离子脱离负极和正极回到电解质内部[9]。图1.3双电层电容器原理图[10]双电层电容器的单电极电容量可表示为S（1.1）
【参考文献】：
期刊论文
[1]N-doped ordered mesoporous carbon spheres derived by confined pyrolysis for high supercapacitor performance[J]. Juan Du,Lei Liu,Yifeng Yu,Yue Zhang,Haijun Lv,Aibing Chen. Journal of Materials Science & Technology. 2019(10)
[2]基于柳絮的生物质活性炭制备及电容性能的研究[J]. 林烨,姚路,吴登鹏,张亚非. 电子元件与材料. 2018(10)
[3]熔盐法制备石墨化碳纳米片[J]. 李俊怡,梁峰,田亮,张海军. 机械工程材料. 2018(06)
[4]赝电容型超级电容器电极材料研究进展[J]. 孙银,黄乃宝,王东超,詹溯,李瑞超. 电源技术. 2018(05)
[5]电化学超级电容器电极材料研究进展[J]. 刘云鹏,李乐,韩颖慧,吴天昊,李昕烨. 华北电力大学学报(自然科学版). 2016(06)
[6]超级电容器电极材料研究最新进展[J]. 薛璐璐,秦占斌,高筠,赵南,孙博. 化学工程师. 2015(07)
[7]超级电容器电极材料研究最新进展[J]. 赵雪,邱平达,姜海静,金振兴,蔡克迪. 电子元件与材料. 2015(01)
[8]导电聚合物基超级电容器电极材料研究进展[J]. 冯辉霞,王滨,谭琳,雒和明,张德懿. 化工进展. 2014(03)
[9]当前能源形势及解决能源问题的对策[J]. 张芳. 科技传播. 2013(03)
[10]聚酰亚胺树脂生产和应用进展[J]. 李玉芳,伍小明. 国外塑料. 2009(09)
博士论文
[1]高比能量电化学电容器的研究[D]. 王永刚.复旦大学 2007
本文编号：3390781
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