对称型超级电容器用多孔炭材料的制备及其储电性能

发布时间：2017-09-05 23:21

  本文关键词：对称型超级电容器用多孔炭材料的制备及其储电性能

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【摘要】：超级电容器用电极材料主要包括炭材料、金属氧化物、导电聚合物。其中,炭材料,因其超高的比表面积、发达的孔隙、良好的导电性、优异的物理化学稳定性等优点而引起了人们更多的研究兴趣。炭材料结构的设计与调控是提高其电化学性能的关键。本文分别以煤焦油和石油沥青为碳源,采用模板耦合KOH活化法,制备了超级电容器用多孔炭材料,分别为中空多孔炭球、分级多孔炭壳、褶皱的石墨烯纳米片。借助氮吸脱附、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等手段对多孔炭材料的结构及表面形态进行表征与分析。通过循环伏安、恒流充放电以及电化学阻抗谱考察其电化学性能。主要结论如下:以二水醋酸锌为模板,制备了超级电容器用中空多孔炭球。当煤焦油、二水醋酸锌、KOH的质量分别为6 g、24 g、12 g时,制得的中空多孔炭球命名为HPCN6-24-12,其比表面积为1374 m2/g,平均孔径为7.41 nm。在6 M KOH电解液中,0.05 A/g电流密度下,比容达216 F/g;即使电流密度升高至20 A/g,比容仍保持为172 F/g,比容保持率为79.6%,表现出良好的倍率性能。在1 A/g电流密度下,循环充放电1000次后,HPCN6-24-12容量保持率为97.2%,表现出很好的循环稳定性。以氧化锌为模板,通过改变原料的配比与最终的活化温度制备了分级多孔炭壳。当石油沥青为2.0 g、氧化锌为19.0 g、KOH为6.0 g,活化温度为850℃时,制得的分级多孔炭壳命名为HPCS2-19-6-850,所得材料具有最高的比表面积(2646m2/g)和孔容(1.47 cm3/g)。在6 M KOH电解液中,0.05 A/g电流密度下,HPCS2-19-6-850比容达296 F/g,能量密度达10.26 W h/kg;即使电流密度升高至20A/g,其比容仍保持为237 F/g,比容保持率高达80.1%,表现出优异的倍率性能。以氧化镁为模板,制备了超级电容器用褶皱的石墨烯纳米片。当石油沥青为3.0 g、氧化镁模板为18.0 g,KOH为6.0 g,活化温度为800℃时,制得的褶皱的石墨烯纳米片命名为CGNS3-18-6-800,所得材料比表面积达2132 m2/g。在6 M KOH电解液中,0.05 A/g电流密度下,其比容最高,达280 F/g;即使电流密度升高至20 A/g,比容仍为233 F/g,比容保持率高达83.2%,表现出优异的倍率性能。在1 A/g电流密度下,循环充放电1000次后,容量保持率为96.8%,表现出很好的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 多孔炭材料 模板 电化学性能
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 引言10
• 1.2 超级电容器的简介10-16
• 1.2.1 超级电容器的分类11-12
• 1.2.2 超级电容器的优点12-14
• 1.2.3 超级电容器的组成14-15
• 1.2.4 超级电容器的应用15-16
• 1.3 超级电容器的电解液16-17
• 1.4 超级电容器的电极材料17-23
• 1.4.1 金属氧化物18
• 1.4.2 导电聚合物18
• 1.4.3 炭材料18-23
• 1.4.3.1 多孔炭19-20
• 1.4.3.2 活性炭20
• 1.4.3.3 模板碳20-21
• 1.4.3.4 碳纳米管21
• 1.4.3.5 石墨烯21-22
• 1.4.3.6 杂原子参杂的炭材料22-23
• 1.5 超级电容器的性能评估23-25
• 1.6 本文选题的背景及内容25-27
• 第二章 实验27-35
• 2.1 实验用原料和设备27-30
• 2.1.1 实验用原料27-28
• 2.1.2 实验用设备28-30
• 2.2 原料及电极材料的表征方法30-33
• 2.2.1 工业分析30
• 2.2.2 元素分析30-31
• 2.2.3 热重分析31
• 2.2.4 氮吸脱附31-32
• 2.2.5 XRD分析32
• 2.2.6 XPS分析32
• 2.2.7 FESEM分析32
• 2.2.8 TEM分析32
• 2.2.9 Raman分析32-33
• 2.3 电极的电化学性能测试33-35
• 2.3.1 循环伏安测试33
• 2.3.2 恒流充放电测试33-34
• 2.3.3 电化学阻抗谱测试34-35
• 第三章 醋酸锌模法板法制备中空多孔炭球及其储电性能35-47
• 3.1 实验部分35-37
• 3.1.1 中空多孔炭球的制备35-36
• 3.1.2 电极的制备与超级电容器的组装36-37
• 3.2 结果与讨论37-45
• 3.2.1 二水醋酸锌热重分析37-38
• 3.2.2 氮吸脱附与孔结构分析38-39
• 3.2.3 FESEM与TEM分析39-40
• 3.2.4 XPS分析40-41
• 3.2.5 Raman分析41
• 3.2.6 XRD分析41-42
• 3.2.7 循环伏安测试42-43
• 3.2.8 恒流充放电测试43-45
• 3.2.9 交流阻抗谱测试45
• 3.3 本章小结45-47
• 第四章 纳米氧化锌模板法制备分级多孔炭壳及其储电性能47-60
• 4.1 实验部分47-49
• 4.1.1 分级多孔炭壳的制备47-48
• 4.1.2 电极的制备与超级电容器的组装48-49
• 4.2 结果与讨论49-59
• 4.2.1 分级多孔炭的产率分析49-50
• 4.2.2 氮吸脱附与孔结构分析50-52
• 4.2.3 FESEM与TEM分析52-54
• 4.2.4 XPS分析54
• 4.2.5 Raman分析54-55
• 4.2.6 XRD分析55-56
• 4.2.7 循环伏安测试56-57
• 4.2.8 恒流充放电测试57-58
• 4.2.9 交流阻抗谱测试58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 纳米氧化镁模板法制备褶皱的石墨烯纳米片及其储电性能60-72
• 5.1 实验部分60-62
• 5.1.1 褶皱的石墨烯纳米片的制备60-61
• 5.1.2 电极的制备及超级电容器的组装61-62
• 5.2 结果与讨论62-71
• 5.2.1 氮吸脱附与孔结构分析62-63
• 5.2.2 TEM分析63-65
• 5.2.3 XPS分析65-66
• 5.2.4 水接触角测试66-67
• 5.2.5 Raman分析67
• 5.2.6 粉末电阻率测试67-68
• 5.2.7 循环伏安测试68-69
• 5.2.8 恒流充放电测试69-70
• 5.2.9 交流阻抗谱测试70-71
• 5.3 本章小结71-72
• 第六章 结论、创新点及展望72-74
• 6.1 主要结论72-73
• 6.2 创新点73
• 6.3 下一步工作展望73-74
• 参考文献74-83
• 攻读硕士期间获奖及发表论文、专利情况83-84
• 致谢84

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本文编号：800805