基于丝瓜络介孔碳材料的电化学超级电容器

发布时间：2017-09-18 21:37

  本文关键词：基于丝瓜络介孔碳材料的电化学超级电容器

  更多相关文章： 超级电容器 丝瓜络 石墨烯 四氧化三钴 比电容 循环使用寿命

【摘要】：电化学超级电容器又叫双电层电容器,它具有充放电快,较高比电容,以及良好的循环使用寿命等优点。超级电容器在电子产品,电动汽车以及军工产品等有巨大的应用前景。特别是近年来,随着节能减排、绿色环保产品得到广大市民的青睐,超级电容器作为环保节能产品也受到研究学子的广泛关注。超级电容器主要组成部分包括电极、电解液以及隔膜,而电极材料是超级电容器最为核心部分,也是研究的重点。碳基材料是研究最早也最成熟的电极材料,包括活性炭、碳纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管以及石墨烯等。但是,目前研究较多的碳基材料大多还处于实验室理论研究阶段。超级电容器的实际生产成本较高,电极材料来源匮乏,制备过程较为复杂。此外,超级电容器的比电容,比能量,循环使用寿命等电化学性能都有待进一步提高。本文旨在降低超级电容器生产成本,提高它的比电容、比能量等电化学性能。本文以丝瓜络为原材料,通过炭化、活化制备丝瓜络活性炭。通过氮气吸附脱附表征,丝瓜络活性炭的比表面积高达2790m2/g,孔容为1.3672cm3/g,平均孔径为1.9588nm。以丝瓜络活性炭作为电极材料,组装成纽扣型超级电容器并测试其电化学性能。此外,研究了丝瓜络活性炭结合石墨烯、Co3O4等制备复合材料在水系电解液中的电化学性能,表明丝瓜络活性炭是一类电化学性能极好的电极材料。以等质量的丝瓜络活性炭组装成纽扣型对称超级电容器,电解液为6M KOH。在0.048A/g的电流密度下恒流充放电测试,工作电压为1.2V,充放电线性关系以及对称性较好。由公式计算,丝瓜络活性炭的比电容高达356.77F/g,能量密度为12.49wh/kg。大电流下,10000次循环充放电后,丝瓜络活性炭比电容依然保持在最初的86.3%。且8000次充放电之后,能量效率维持在83%左右,表现出良好的循环使用寿命以及能量利用率。以1M C8H20BF4N/PC为电解液,等质量丝瓜络活性炭组装成纽扣型对称超级电容器。当电流密度为0.2A/g时,丝瓜络活性炭充放电过程线性关系以及对称性良好,工作电压达到2.7V,比能量为16.395wh/kg。在6M KOH电解液中进行三电极测试,当电流密度为1A/g时,丝瓜络活性炭的比电容为338F/g,这要好于大多数文献报道的生物质活性炭的比电容。除此之外,我们还进行了三电极循环伏安以及电化学阻抗测试。特别是在1M Na2SO4电解液中循环伏安图类似矩形,表现为双电层超级电容器电化学行为。电势窗口为-0.6~0.8V,表明其拥有较大的工作电压范围。将丝瓜络活性炭与石墨烯结合制备复合材料,以等质量的复合材料组装成纽扣型对称超级电容器。当电解液为1M C8H20BF4N/PC,石墨烯与丝瓜络活性炭的质量比为5%时,复合材料的比电容最大达到了130.8F/g。若以6M KOH为电解液,电流密度为35m A/g,其比电容为182.7F/g。充放电线性关系以及对称性较好,表现为对称型超级电容器的电化学行为,但比电容比丝瓜络活性炭要小,表明丝瓜络活性炭是一类电化学性能极好的电极材料。在大电流下,进行1000次循环充放电测试后,其比电容保有率为97%,石墨烯与丝瓜络活性炭复合材料拥有良好的循环使用寿命。在6M KOH电解液中进行三电极测试,电化学阻抗谱图表明复合材料的传质阻抗以及扩散阻抗都较小,这有助于提高超级电容器的使用寿命以及其他电化学性能。将丝瓜络活性炭与Co3O4结合采用共沉淀法以及水热合成法制备复合材料AC/Co3O4,以质量相等的复合材料组装成纽扣型对称赝电容器,其中电解液为6M KOH。采用共沉淀法,当Co3O4与AC质量比为30%,电流密度为0.055A/g时,复合材料的比电容达到了516.2F/g,工作电压范围为1.2V。充放电过程线性关系、对称性较差,表现出赝电容性能。在大电流密度下,1500次循环充放电后比电容衰减较为平缓,并未出现明显的衰减,比电容保有率达到了95.5%,表现出良好的循环使用寿命。在电解液为6M KOH中进行三电极恒流充放电测试,当Co3O4与AC质量比为30%,电流密度为1A/g时,复合材料的比电容最大达到了603F/g,表现出优异的电容性能。本文以丝瓜络为原材料制备超级电容器。一方面,降低了超级电容器的生产成本;另一方面,提高了超级电容器的电化学性能。超级电容器的制备方法简单易行便于推广,本课题不仅为实验室的理论研究提供思路,也推动了超级电容器的工业化、产业化进程。
【关键词】：超级电容器 丝瓜络 石墨烯 四氧化三钴 比电容 循环使用寿命
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 主要符号说明11-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景及意义12-13
• 1.2 超级电容器的储能原理13
• 1.3 超级电容器研究进展13-14
• 1.4 超级电容器电极材料的研究14-17
• 1.4.1 碳基材料14-15
• 1.4.2 金属氧化物15-16
• 1.4.3 导电聚合物16-17
• 1.5 超级电容器电解液的研究17-18
• 1.5.1 水系电解液17-18
• 1.5.2 有机电解液18
• 1.6 本论文研究的主要内容和创新点18-20
• 第二章 丝瓜络活性炭制备对称型超级电容器20-39
• 2.1 引言20
• 2.2 丝瓜络活性炭的制备20-23
• 2.2.1 实验仪器20
• 2.2.2 实验试剂20-21
• 2.2.3 丝瓜络活性炭制备过程21-23
• 2.3 丝瓜络活性炭电极的制备23-24
• 2.3.1 实验仪器23
• 2.3.2 实验试剂23
• 2.3.3 丝瓜络活性炭电极制备过程23-24
• 2.4 丝瓜络活性炭电化学测试24-25
• 2.4.1 实验仪器24
• 2.4.2 实验试剂24-25
• 2.4.3 电化学测试过程25
• 2.5 结果与讨论25-38
• 2.5.1 丝瓜络活性炭结构与表征25-27
• 2.5.2 丝瓜络活性炭有机体系纽扣型对称超级电容器27-29
• 2.5.3 丝瓜络活性炭水系对称型超级电容器29-31
• 2.5.4 丝瓜络活性炭三电极测试31-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第三章 丝瓜络活性炭与石墨烯复合材料制备超级电容器39-49
• 3.1 引言39
• 3.2 AG/AC复合材料的制备39-40
• 3.2.1 实验仪器39-40
• 3.2.2 实验试剂40
• 3.2.3 AG/AC复合材料的制备过程40
• 3.3 AG/AC复合材料电极的制备40-41
• 3.3.1 实验仪器40
• 3.3.2 实验试剂40-41
• 3.3.3 电极制备过程41
• 3.4 电化学测试41-42
• 3.4.1 实验仪器41-42
• 3.4.2 实验试剂42
• 3.5 电化学测试过程42-43
• 3.5.1 AG/AC对称型超级电容器两电极测试42
• 3.5.2 AG/AC复合材料的三电极测试42-43
• 3.6 结果与分析43-47
• 3.6.1 AG/AC复合材料的表征43
• 3.6.2 AG/AC复合材料有机体系纽扣型对称超级电容器43-44
• 3.6.3 AG/AC复合材料水系纽扣型对称超级电容器44-45
• 3.6.4 AG/AC复合材料的三电极测试45-47
• 3.7 本章小结47-49
• 第四章 丝瓜络活性炭与CO_3O_4复合材料制备超级电容器49-65
• 4.1 引言49-50
• 4.2 共沉淀法制备丝瓜络活性炭与CO_3O_4复合材料50-53
• 4.2.1 实验仪器50
• 4.2.2 实验试剂50-51
• 4.2.3 共沉淀法制备丝瓜络活性炭与Co_3O_4复合材料过程51-53
• 4.3 水热合成法制备丝瓜络活性炭与CO_3O_4复合材料53-54
• 4.3.1 实验仪器53
• 4.3.2 实验试剂53
• 4.3.3 水热合成法制备丝瓜络活性炭与Co_3O_4复合材料实验过程53-54
• 4.4 AC/Co_3O_4复合材料电极的制备54-55
• 4.4.1 实验仪器54
• 4.4.2 实验试剂54
• 4.4.3 电极制备过程54-55
• 4.5 电化学测试55-56
• 4.5.1 实验仪器55
• 4.5.2 实验试剂55
• 4.5.3 电化学测试过程55-56
• 4.6 结果与分析56-63
• 4.6.1 AC/Co_3O_4复合材料表征56-57
• 4.6.2 AC/Co_3O_4复合材料组装纽扣型对称超级电容器两电极测试57-61
• 4.6.3 AC/Co_3O_4复合材料三电极测试61-63
• 4.7 本章总结63-65
• 第五章 全文总结65-67
• 参考文献67-75
• 个人简历 在读期间发表的学术论文75-76
• 致谢76

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本文编号：877649