沼渣基活性炭电极材料的制备及其电化学性能的研究

发布时间：2020-08-24 07:25

【摘要】：超级电容器作为介于传统介质电容器与电池之间的新型储能元件,因其具有高功率密度、循环寿命长、快速充放电和环境友好等优点引起了广泛的关注,在能源领域具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。超级电容器的性能主要取决于其电极材料,碳材料因其成本低廉、比表面积高、制备工艺简单、微结构易调节、形式多样以及具有良好的导电性及电化学稳定性等优点,被广泛用于超级电容器电极材料。具有成本低廉、原料丰富、绿色可循环等优点的可再生性的废弃生物质则成为制备碳材料的优先选择。本文以生物质沼渣为碳源,采用化学活化法和N掺杂成功制备出活性炭。对所得材料的结构和形貌进行表征,并考察其作为超级电容器电极材料的电化学性能。主要结论如下:(1)利用预碳化+KOH活化,通过调节活化温度和碱炭比,制备出分级孔结构和较高比表面积的沼渣基活性炭材料。结果表明活化后所得活性炭随着活化温度的升高及碱炭比的增大其比表面积先增大后减小,微孔逐渐向中孔过渡。当碱炭比为3,活化温度为600°C时制备的活性炭性能最佳,此工艺条件下制备的沼渣基活性炭比表面积最大,达到942 m~2 g~(-1),孔容达0.712 cm~3 g~(-1),具有理想的多级孔道碳结构。在6 M KOH电解液中电流密度为1 A g~(-1)时,比电容高达198.42 F g~(-1),即使电流密度达到10 A g~(-1)时依然能够保持158.48 F g~(-1)的比电容,表现出了优异的电化学性能。此外材料ADR-600-3在碱性电解液中还表现出了良好的电化学循环稳定性,在电流密度为10 A g~(-1)时经过5000次恒电流充放电循环依然能够保持94.67%的比电容。(2)针对具有高比表面积和优异的电化学性能的活性炭,进行了N元素的掺杂,研究了掺杂比例对活性炭微观形貌、比表面积、孔隙以及电容特性的影响。利用三聚氰胺作为掺氮剂进行氮元素掺杂,不仅不会破坏活性炭的微观结构,同时引入含氮官能团,增加活性炭的导电性和润湿性并引入赝电容,并降低了电极材料的内阻。当掺杂比为0.3:1时,此工艺条件下制备的沼渣基活性炭比表面积最大,达到1506 m~2g~(-1),孔容达0.825 cm~3g~(-1)所得N掺杂活性炭在6 M KOH电解液中,在电流密度为1 A g~(-1)时,比电容为248.85 F g~(-1),比样品NADR-0的电容量提高了25.42%,在循环充放电5000次过后,其比电容保持率也有一定的提高,达到了96.01%。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53
【图文】：

超级电容器,电解质

图 1.1 超级电容器的组成结构Fig 1.1 The composition structure of the supercapacitor标准不同，超级电容器可以分为不同类型的电容器：电极材料的成分不同，可分成碳基材料（活性炭、介材料）[16,17]，过渡金属氧化物材料（氧化钌、氧化锰和物材料（聚苯胺和聚吡咯及其衍生物）[15]。电荷储存机理的不同，分为双电层电容器（EDLC）和赝电极材料[16,17]；过渡金属及导电聚合物等[13-15]是作为电解质体系物理特性的不同，可分为液体和固体[26]。和有机系。水系通常有酸性、碱性和中性三种类型，4 等[27]。有机系电解质主要有四乙基铵四氟硼酸盐/ ，由于这类电解质具有一定的毒性并且会对环境造成的较少[28]。

双电层电容器,储能,机理

合肥工业大学硕士学位论文。，电解质中正负离子在两电极间电势差的作用下迅材料表面诱导相反电荷离子聚集在固、液界面上，形双电层[29]。放电期间，电极表面上的电荷的定向分布，形成的双电层也随之消失。由于界面不存在电荷转现象，且在充放电过程中，电解质的浓度基本上保持能过程中始终是一个物理静电吸附过程[29]。由于不会的形成与解体在瞬间即可完成，这种性质使 EDLC 具。由于在能量储存过程中没有发生氧化还原反应，基本不会对电极造成损耗等，所以理论上 EDLC 的使用寿电容器性能优于化学电池的所在。所以这种储能机理全和快速的特点。

赝电容器,储能,机理,双电层电容器

第一章绪论反应过程，其中的双电层过程与双电层电容器的储能到电极（近）表面的离子通过氧化还原反应进入电极当放电时，离子又由于可逆的氧化还原反应被释放到容，其原理如图 1.3 所示。在材料表面和内部存储电荷，其比电容要比 EDLC 约是 EDLC 的 10-100 倍[22,31]。但是，它也有缺点：还原反应会使其稳定性较差，难以实现超长的循环寿应慢，致使其功率密度比双电层电容器的低，难以实因都限制了其在实际生活中的应用[32]。

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