基于生物质碳功能材料的超级电容器研究

发布时间：2020-07-19 00:55

【摘要】：能源问题是让全世界都为之关心的一个主题,世界的发展和经济的全球化、现代化,离不开化石能源,如石油、天然气、煤碳的广泛应用。全世界对工业化速度的追求,导致了能源的消耗速度也大大加快,全球能源危机问题将会日益突出。此外,化石燃料的使用导致了环境问题日趋严重。能源危机和环境问题对人类社会的发展构成直接威胁。因此,发展可持续的清洁能源和研究先进能源存储技术已成为一个非常紧迫的问题,超级电容器的出现为可持续发展提供了可能。超级电容器的能量密度不仅要比传统电容器大几个数量级的,同时超级电容器具有更高的功率密度和更好的循环性能。超级电容器的一些组成部分,如电极、基底材料、电解液等,对超级电容器的性能起到至关重要的作用。近年来,以生物质为碳源,是电极材料领域的一个研究热点。同时,为了制作柔性超级电容器,基底材料的选择也被越来越多的科研工作者所研究。本文以超级电容器为研究对象,通过对超级电容器组成部分材料的研究,以生物质材料用作超级电容器的电极材料和基底材料,并测量其电化学性能,与非生物质材料所制成的超级电容器进行对比和研究。1.以竹纤维为原料,通过高温碳化活化,得到竹碳纤维。获得的竹碳纤维与高锰酸钾一起进行原位水热合成反应,研究纯竹碳纤维材料和Mn02/竹碳纤维复合材料的电化学性能。研究发现纯竹碳纤维具有良好的导电性能,在5000次循环后电容量是原来的97.6%。通过将竹碳纤维与MnO2复合之后,复合材料的质量比容得到了提高,在MnO2占比为24%时,复合电极材料的质量比容为152 F g-1,远远大于纯竹碳纤维电极材料的质量比容。但是复合电极材料中的Mn02在提高比电容的同时,也降低了电极材料的导电性能。在MnO2占比为39%时得到的复合材料的导电性能严重下降,比电容只有58.5 Fg-1,因此在竹碳纤维与MnO2复合时要选择一个合适的比例,兼顾导电性能和比电容。2.通过原位水热合成,将MnO2生长在石墨烯上组成复合电极材料。不加入石墨烯时,水热合成得到的Mn02的平均直径为95 nm,长径比为12.9,此时材料的比电容为63.75 F·g-1;当复合材料中石墨烯的占比为20.4%时,复合材料中的Mn02的平均直径为86 nm,长径比为28,此时材料的比电容为116.6 F.g·-1;当复合材料中石墨烯的占比为34%时,复合材料中的MnO2的平均直径为70 nm,长径比为52.4,此时材料的比电容为187F·g-1。石墨烯的加入提高了电导率,增加了电极材料的离子结合位点。以此复合物为电极材料制作而成的超级电容器具有更高的质量比容,更稳定的循环性能以及更好的导电性。3.用旋切法将水曲柳木切成薄片状水曲柳木片,作为柔性超级电容器的基底材料,替代传统的基底材料材料聚对苯二甲酸类塑料(PET)。以这两种材料制作两组电容器,对组成的超级电容器弯曲45°和90°以及弯曲100次后分别进行电化学性能测试。PET制作的柔性超级电容器在弯曲45°、90°、100次时,电容器的电容性能分别为原来的98.5%、94.3%、92%;水曲柳木片基底材料电容器相对于无弯曲时候的电容性能,在弯曲45°、90°、100次时,电容器的电容性能分别为原来的时98%、96%、95.5%。结果表明水曲柳木片具有与PET同样良好的弯曲性能。因为水曲柳木是生物质材料,更加环保,因此是用作柔性超级电容器的基底材料更加理想的一种材料。
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53
【图文】：

电压图,扫速,双电层,超级电容器

逦基于牛．物质碳功能材料的}9级电容器研究逡逑然而这种形状只有在很低扫速的ＥＤＬＣ电极上能看到，有多重因素使其偏离矩逡逑形，在高扫速下，ＣＶ曲线呈“树叶状”（图２．１ｂ），这是由于电极中的电子传逡逑递以及电解液中的粒子迁移速度有限，高扫速下电极／电解质界面双电层无法充分逡逑形成。当所加电极电势过高电解质会发生反应，比如常见的水系电解液在ＩＶ左逡逑右即开始发生氧化还原反应并开始分解，会造成电流的增大，体现在ＣＶ曲线中逡逑即图２．１ｃ，但电解质发生的反应对电荷存储并无贡献，因此图２．１ｃ矩形以外的面逡逑积不应算在材料的电容中。更为严重的是，电解质发生的反应多不可逆，会负面逡逑影响器件的循环稳定性和寿命，因此充放电时要根据电解质选择合适的电势窗口逡逑（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｗｉｎｄｏｗ）。不同于电解质降解，电极界面发生的可逆氧化还原反应即逡逑赝电容产生的电流在计算电容时要包括在内

曲线,超级电容器,电解质,充电电压

ｖｏｌｔａｇｅ邋ｅｘｃｅｅｄｓ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｓｔａｂｉｌｉｔｙ邋ｗｉｎｄｏｗ邋（ｃ）邋Ｔｈｅ邋ＩＲ邋ｄｒｏｐ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ＧＣＤ邋ｃｕｒｖｅ邋ｃａｕｓｅｄ逡逑ｂｙ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ逡逑典型的恒流充放电（ＧＣＤ）曲线如图２．２所示，理想的超电容，充、放电过逡逑程曲线应该是对称的线段，通过斜率可以计算得到电容，现实中ＧＣＤ曲线往往逡逑偏离线性。图２．２ｂ的非线性部分是当电压超出电解液稳定窗口的情形。相比于线逡逑性部分，斜率的下降是由于电极／电解液界面的电荷转移过程：来源于电解质和电逡逑极中的电化学反应，前者会导致电解质降解，降低器件的循环稳定性；后者如果逡逑是可逆的意味着以赝电容形式贡献电容，如果是不可逆的则会降低器件的循环稳逡逑定性。当扫速增大，ＧＣＤ曲线会出现图２．２ｃ中的情况（此时对应于图２．１ｂ中的逡逑树叶状的ＣＶ曲线）：从从充电转变成放电时电压会有突降，称为电压降（ＩＲ邋ｄｒｏｐ），逡逑这是由于体系内的电阻（包括电极电阻、

形貌,纤维复合材料,占比,质量比

质量比为２４％，另外一组加入２３７ｍｇ高锰酸钾，水热后得到的复合材料中Ｍｎ０２逡逑的质量比为３９％。逡逑图３．２是Ｍｎ０２的质量比为２４％的复合电极材料的ＳＥＭ图，其中图３．２（ａ）是逡逑放大５０００倍得到的图像，图中央是一根竹碳纤维，因为在水热反应时，该材料逡逑中加入了邋１１８．５ｍｇ的高锰酸钾，因此在竹碳纤维上，我们可以看到生长着水热得逡逑到的Ｍｎ０２。逡逑为了更清楚的看到得到的Ｍｎ０２的形貌，我们进一步放大观察该材料＝图逡逑３．２（ｂ）是对同一个区域放大了邋２００００倍的图像。可以看到，因为复合材料中Ｍｎ０２逡逑的质量占比不高，因此得到的Ｍｈ０２是片状和棒状都有，棒状的＼１１１0２零散分布逡逑与片状Ｍｎ０２之上，没有出现团聚现象。相比较而言，片状的Ｍｎ０２＆棒状的逡逑Ｍｎ０２具有更良好的导电性能，以及更高的比电容，同时也具有更大的比表面积，逡逑能够更充分的与液态电解质接触。将竹碳纤维与Ｍｎ０２复合是为了提高纯竹碳纤逡逑维的比电容

【参考文献】