基于木材转化的碳电极及其电容性能提升

发布时间：2020-05-14 06:36

【摘要】：超级电容器具有超高的功率密度,超长的循环寿命,低污染等特点,是近年来备受关注的能量存储设备之一。基于生物质碳化的碳材料具有表面积可控,生产成本低,来源广泛等优点,成为近年来人们研究较多的超级电容器电极之一。本论文以廉价椴木为起始原料,制备了一种具有自支撑三维多孔道结构的碳材料-碳化木材(Carbonized Wood,CW)。为了提高CW的比电容及倍率性能,我们从以下两方面入手,其一,在基底(CW)上直接生长高比电容材料FeOOH,然后在FeOOH表面进一步包覆高导电性材料PEDOT,提高复合材料的倍率性能和循环稳定性;其二,通过化学气相沉积在CW的孔道内生长碳纳米管(CNTs),以增加赝电容材料FeOOH的成核点,期待提高CW的电荷存储能力。在本论文第三章中,通过恒流电沉积法,在CW上生长高容量的FeOOH赝电容材料(CW-FeOOH)。在2 M KOH电解液中,电极材料体积电容从29 F cm-3提高至110 F cm-3。为了进一步改善CW-FeOOH的倍率性能和电化学稳定性,通过恒压电沉积法,在CW-FeOOH其表面原位聚合PEDOT,制备得到CW-FeOOH-PEDOT复合电极。PEDOT的引入使CW-FeOOH的倍率性能从81%提高至91%,表明导电聚合物PEDOT可显著提高了电极材料的电导率和传质效率。经5000次恒电流充放电测试(3 A g-1),复合电极材料的电容保持率提高至103%,表明三维网络结构PEDOT的均匀包覆,对电极材料的稳定性至关重要。在本论文第四章,我们通过一步CVD法,在CW的超大孔道中原位生长CNTs,制备得到CW-CNTs,该方法不仅能够充分利用基底(CW)的孔道空间,为活性电极材料提供更加充足的生长位点,增加单位体积内活性物质的含量,同时改善了材料的导电性和倍率性能。为了提高复合电极材料的比电容,通过恒流电沉积法生长FeOOH,制备出复合电极CW-CNTs-FeOOH。结果显示,FeOOH的负载量高达220 mg cm-3,较上一章中FeOOH的负载量提高了四倍,说明单位体积活性物质含量显著增加。在10 mA cm-2的电流密度下,CW、CW-CNTs以及CW-CNTs-FeOOH的体积比电容分别为29 F cm-3、2.6 F c1mm-3和35 F cm-3。但由于CNTs生长密度过大,FeOOH的电沉积时间过长,导致活性材料CNTs-FeOOH的密堆积,严重影响了其电化学性能的发挥,因此该制备方法有待于进一步优化。
【图文】：

图１＿１不同电化学储能设备的Ｒａｇｏｎｅ图［４］。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｒａｇｏｎｅ邋ｐｌｏｔ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｄｅｖｉｃｅｓ１４１．逡逑估储能器件的性能和实际应用潜力的主要因素包括：能量密度（质＿１＿

逑纪的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ在研宄胶体界面间正负离子分布时提出，并构建了相关模型－亥姆逡逑霍兹双层模型，见图１－２邋（ａ）邋［１２］，该模型是最早提出的一种双电层模型，即在静逡逑电引力作用下，电极与电解液界面两侧均匀分布着带有异号电荷的电子与离子，逡逑且两者间距处于原子级别。由于该模型与传统的两极板电容器较为相似，因此，逡逑Ｇｏｕｙ和Ｃｈａｐｍａｎ对该模型进行了修改［１２］，提出了邋Ｇｏｕｙ－Ｃｈａｐｍａｎ模型，见图１邋－逡逑２邋（ｂ），相比亥姆霍兹双层模型，它不仅涉及了异号电荷间的静电引力，，同时也考逡逑虑到了热运动的影响，从而形成了扩散分布模型，该模型可以对电容初步定量，逡逑但当电荷密度过高时，这种评估往往高于真实电容值。为了更加清楚准确的认识逡逑电容器，Ｓｔｅｒｎ模型随之产生，该模型不同于前两种（见图ｌ－２ｃ）邋［１２１，它将粒子扩逡逑散区域划分成两层：内层区域称做致密层（又叫Ｓｔｅｒｎ层）和外层区域称扩散层。逡逑其中
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM53

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本文编号：2662958