高性能电容炭材料的设计合成及其电化学性能研究
发布时间：2022-01-09 03:03
超级电容器作为一种新型环境有好的储能装置,具有功率密度高,循环寿命长,倍率性能优的特点,在储能领域显示出巨大的应用前景,但其双电层储能特性使超级电容器面临能量密度低的问题。如何在保持高功率密度的同时提高超级电容器的能量密度是当前该研究领域的一个关键科学问题。电极材料是超级电容器的核心组成部分,性质决定了其电荷存储能力。在双电层电容器电极材料中,多孔炭材料由于具有比表面积大、孔道结构丰富、表面化学易调控、导电性好等优点,是超级电容器商业化最早也是应用最广泛的电极材料。要提高双电层电容器的能量密度,目前的研究重点之一就是提高多孔炭的比电容。基于此,本论文以实现炭材料的高效储能为目标,从材料结构设计出发,发展孔道创制和材料复合新方法,并研究了材料的微观结构与电化学性能间的构效关系。揭示了材料微观结构和表面化学调控对超级电容器储能行为的影响规律,为构筑高能量密度、高功率密度超级电容器提供科学依据。主要内容和结果如下:（1）利用金属锌沸点低、易挥发的性质,提出一种从氨基酸锌配合物一步合成氮掺杂微孔炭的方法。L-谷氨酸是一种新型的含氮炭源,含有羧基、氨基等官能团,能与Zn2+配位使锌物种高度分散在...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４（ａ）归一化比表面积比电容与材料平均孔径之间的关系；图（ｂ－ｄ）示意表明孔道??中的溶剂化电解液离子与相邻孔壁之间的距离为大于２?ｎｍ（ｂ）、在１－２?ｎｍ之间（ｃ）及小??于１?ｎｍ（ｄ）时的电荷存储行为［１３］??
为进一步研宄多孔炭材料比电容与微孔尺寸间的对应关系，德国德雷塞尔大学的??Ｃｈｍｉｏｌａ等［１３］以ＴｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ｔｉ２ＡｌＣ为前驱体，通过氯化方法合成系列碳化物衍生炭，??其平均孔径在０．６－２．２５?ｎｍ之间。图１．４显示在１．５?Ｍ?ＴＥＡＢＦ４乙腈电解液中所制备材料??单位比表面积比电容与孔径之间的关系。由图可知，当孔径大于ｌｎｍ，比电容值与孔径??呈正相关，而在孔径小于１?ｎｍ条件下，比电容随孔径的减小显著增大，且孔径在０．７５?ｎｍ??时，比电容达到峰值。该孔径刚好与脱溶剂化ＴＥＡ＋的大小一致（０．７４?ｒｎｎ）。由此得出??如下结论：溶剂化电解液离子在进入孔径小于１?ｎｍ的孔道中之前会发生去溶剂化。材??料孔径与脱溶剂化电解液离子相近时，比电容值达到最高。基于图１．４显示的实验结果，??作者进一步根据孔径大小不同将图１．４划分成三个区域，并相应提出了三种离子储存模??型。在Ｉ区，孔径大于两个溶剂化电解液离子直径，两侧孔壁均可吸附溶剂化离子形成??紧密双电层。在此区域内可忽略扩散双电层的影响，微孔双电层的比电容变化不明显。??在ＩＩ区
孔结构单一，为高度有序介孔，且外表面能与电解液充分接触，是研宄电容与介孔孔径??大小关联规律的理想材料。研究结果表明当中孔宽度约为溶剂化离子直径的２．５？３倍时，??电容达到峰值（图１．６）。规则有序的孔道有效减小了电解液离子传输的阻力，提高材??－９?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉曼光谱表征石墨烯结构的研究进展[J]. 郝欢欢,刘晶冰,李坤威,汪浩,严辉. 材料工程. 2018(05)
[2]介孔碳/石墨烯复合材料的制备及其醌类改性电容性能[J]. 高秀丽,李硕,邢伟,阎子峰. 无机化学学报. 2018(03)
[3]电化学电容器储能机理的原位表征技术研究进展[J]. 罗民,杨顺,李海波. 中国科学:化学. 2018(01)
[4]双电层电容器储能机理研究概述[J]. 向宇,曹高萍. 储能科学与技术. 2016(06)
[5]致密储能——石墨烯用于超级电容器的机遇和展望[J]. 陶莹,李欢,杨全红. 储能科学与技术. 2016(06)
[6]活性炭制备及其活化机理研究进展[J]. 张本镔,刘运权,叶跃元. 现代化工. 2014(03)
[7]超级电容器储能特性研究[J]. 蔡国营,王亚军,谢晶,黄晓贤,陈忠,陈金灿. 电源世界. 2009(01)
[8]超级电容器储能特性研究[J]. 蔡国营,王亚军,谢晶,黄晓贤,陈忠,陈金灿. 电源世界. 2009 (01)
博士论文
[1]炭及其复合材料的制备与电化学储能应用研究[D]. 邓江.浙江大学 2018
[2]炭基超级电容器电极材料的制备与结构控制及其电化学性能研究[D]. 邴雪峰.华东理工大学 2017
[3]三维纳米炭材料的表面修饰和微观结构调控及其电化学性能研究[D]. 江丽丽.哈尔滨工程大学 2016
[4]多级孔道炭材料的制备及其电化学性能研究[D]. 郭德才.大连理工大学 2014
[5]多级孔碳基材料及其在电化学电容器中的应用[D]. 周丹丹.复旦大学 2013
[6]超级电容器活性炭电极材料的孔径调控和表面改性[D]. 刘亚菲.同济大学 2008
本文编号：3577820
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４（ａ）归一化比表面积比电容与材料平均孔径之间的关系；图（ｂ－ｄ）示意表明孔道??中的溶剂化电解液离子与相邻孔壁之间的距离为大于２?ｎｍ（ｂ）、在１－２?ｎｍ之间（ｃ）及小??于１?ｎｍ（ｄ）时的电荷存储行为［１３］??
为进一步研宄多孔炭材料比电容与微孔尺寸间的对应关系，德国德雷塞尔大学的??Ｃｈｍｉｏｌａ等［１３］以ＴｉＣ、Ｂ４Ｃ、Ｔｉ２ＡｌＣ为前驱体，通过氯化方法合成系列碳化物衍生炭，??其平均孔径在０．６－２．２５?ｎｍ之间。图１．４显示在１．５?Ｍ?ＴＥＡＢＦ４乙腈电解液中所制备材料??单位比表面积比电容与孔径之间的关系。由图可知，当孔径大于ｌｎｍ，比电容值与孔径??呈正相关，而在孔径小于１?ｎｍ条件下，比电容随孔径的减小显著增大，且孔径在０．７５?ｎｍ??时，比电容达到峰值。该孔径刚好与脱溶剂化ＴＥＡ＋的大小一致（０．７４?ｒｎｎ）。由此得出??如下结论：溶剂化电解液离子在进入孔径小于１?ｎｍ的孔道中之前会发生去溶剂化。材??料孔径与脱溶剂化电解液离子相近时，比电容值达到最高。基于图１．４显示的实验结果，??作者进一步根据孔径大小不同将图１．４划分成三个区域，并相应提出了三种离子储存模??型。在Ｉ区，孔径大于两个溶剂化电解液离子直径，两侧孔壁均可吸附溶剂化离子形成??紧密双电层。在此区域内可忽略扩散双电层的影响，微孔双电层的比电容变化不明显。??在ＩＩ区
孔结构单一，为高度有序介孔，且外表面能与电解液充分接触，是研宄电容与介孔孔径??大小关联规律的理想材料。研究结果表明当中孔宽度约为溶剂化离子直径的２．５？３倍时，??电容达到峰值（图１．６）。规则有序的孔道有效减小了电解液离子传输的阻力，提高材??－９?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉曼光谱表征石墨烯结构的研究进展[J]. 郝欢欢,刘晶冰,李坤威,汪浩,严辉. 材料工程. 2018(05)
[2]介孔碳/石墨烯复合材料的制备及其醌类改性电容性能[J]. 高秀丽,李硕,邢伟,阎子峰. 无机化学学报. 2018(03)
[3]电化学电容器储能机理的原位表征技术研究进展[J]. 罗民,杨顺,李海波. 中国科学:化学. 2018(01)
[4]双电层电容器储能机理研究概述[J]. 向宇,曹高萍. 储能科学与技术. 2016(06)
[5]致密储能——石墨烯用于超级电容器的机遇和展望[J]. 陶莹,李欢,杨全红. 储能科学与技术. 2016(06)
[6]活性炭制备及其活化机理研究进展[J]. 张本镔,刘运权,叶跃元. 现代化工. 2014(03)
[7]超级电容器储能特性研究[J]. 蔡国营,王亚军,谢晶,黄晓贤,陈忠,陈金灿. 电源世界. 2009(01)
[8]超级电容器储能特性研究[J]. 蔡国营,王亚军,谢晶,黄晓贤,陈忠,陈金灿. 电源世界. 2009 (01)
博士论文
[1]炭及其复合材料的制备与电化学储能应用研究[D]. 邓江.浙江大学 2018
[2]炭基超级电容器电极材料的制备与结构控制及其电化学性能研究[D]. 邴雪峰.华东理工大学 2017
[3]三维纳米炭材料的表面修饰和微观结构调控及其电化学性能研究[D]. 江丽丽.哈尔滨工程大学 2016
[4]多级孔道炭材料的制备及其电化学性能研究[D]. 郭德才.大连理工大学 2014
[5]多级孔碳基材料及其在电化学电容器中的应用[D]. 周丹丹.复旦大学 2013
[6]超级电容器活性炭电极材料的孔径调控和表面改性[D]. 刘亚菲.同济大学 2008
本文编号：3577820
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