氮氧共掺杂多级孔碳材料制备及其超级电容器性能研究

发布时间：2020-09-02 15:38

　　超级电容器作为一种重要的能量储存装置,因其具有比传统电容器更高的能量密度、比电池具有更高的功率密度而受到广泛关注。电极材料的性质是决定超级电容器性能是否优异的关键因素,碳材料是比导电聚合物和金属氧化物应用的更早、更广泛的材料,近些年虽然有众多研究者对常见的用于超级电容器的碳材料做了大量研究,但仍然难以取得突破性的进展。单一的碳材料往往因为自身的局限性,或是导电性差,或是有效比表面积不高等,因而难以在超级电容器各方面都表现出优异的性能,而将不同的碳材料经过复合制备成复合材料是改善超级电容器性能的一种有效的手段。在本研究中,首先以对苯二酚和甲醛作为主要原料设计和制备了一种具有全新的微观形貌的碳材料-碳纳米带(NCNBs),通过控制碳化和活化工艺,制备出了具有多级孔结构的的氮氧共掺杂碳纳米带,形成相互连接的导电网络,并将其作为超级电容器电极材料。结果表明,NCNBs-45表现出较大的比电容值(电流密度为0.25 A/g时的比电容为255 F/g)、优异的倍率性能(在电流密度为150 A/g时比电容值为初始比电容的66.5%)、和良好的循环稳定性(在5 A/g的电流密度下经过10000次的充放电循环,NCNBs-45依然可以保持96.2%的初始容量)。接着,用一步法制备了一定氮含量的中空碳纳米微球前驱体,经过碳化和活化工艺处理后,获得具有多级孔结构的氮氧共掺杂中空碳纳米微球(HCNs)。结果表明,所制备的中空碳纳米微球的比表面积最高可达2693 m~2/g,将所制备的中空碳纳米微球作为超级电容器电极,HCNs-45表现出最大的比电容值(在电流密度为0.25 A/g时的比电容为387 F/g)、较好的倍率性能(在电流密度为20 A/g时的比电容值为152 F/g)和良好的循环稳定性(在5 A/g的电流密度下,经过10000次的充放电循环,HCNs-45依然可以保持92.5%的初始容量)。最后,由于复合材料可以取长补短,充分发挥各组元性能优势,赋予复合材料新的性能。基于前期研究发现,碳纳米带具有良好的导电性和优异的倍率性能,而中空碳纳米微球具有氮含量较高、比电容值高的优点。本研究将这两种材料经过复合,制备了具有多级孔结构的氮氧共掺杂碳纳米带-中空碳纳米微球复合材料(NCHCs)。结果表明,将氮氧共掺杂碳纳米带-中空碳纳米微球组装于超级电容器电极,NCHCs-50%表现出最大的比电容值(在电流密度为0.25 A/g时的比电容为348 F/g)、优良的倍率性能(在电流密度为150 A/g时的比电容值为135 F/g)和良好的循环稳定性(在5 A/g的电流密度下,经过10000次的充放电循环,NCHCs-45依然可以保持93.8%的初始容量)。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【部分图文】：

示意图,双电层电容器,储能,机理

氮氧共掺杂多级孔碳材料制备及其超级电容器性能研究.2.1.1 双电层电容器的储能原理早在 19 世纪，Von Helmholtz[9]就在交替悬浮液的研究中第一次提出了双电概念，还对其进行了建模，后来 Gouy 和 Stern[10, 11]又将此模型不断完善，从得到了现在的双电层电容理论。该理论认为，当把电极浸入电解液中，并给施加一个小于电解液分解电压的电场时，在原子间作用力、范德华力以及库的作用下，电极表面上存在的电荷会吸引电解液中的离子，因此会在电解液极之间形成一个电荷数量一样但正负相反的双电层，从而产生电势差。这个层的厚度一般只有一个水分子直径的大小（4×10-10m），正是这种非常小的分离距离使得双电层电容器相对于传统电容器来说具有惊人的静电容量，这超级电容器的“超级”所在。

示意图,法拉第赝电容,储能,机理

一理论是 Conway[11]率先提出来的，这础上所建立的。该理论认为电极表面发，因此法拉第赝电容器并不是真正意义于法拉第氧化还原反应，用以储存和释电化学活性物质在电极的表面或电极生欠电位沉积，使电极材料发生快速可杂与脱掺杂过程从而储存高密度电荷池储能机理之间的一种过渡，在一般情电容的。图 1-2 是赝电容的储能机理示还原反应是基本相同的，但是其充放高了电荷的存储密度，但是也带来超级

超级电容器,大电流充放,双电层电容器,比电容

表 1-1 双电层电容器和法拉第赝电容器的差别双电层电容器法拉第赝电容器双电层储能机理氧化还原反应储能机理比电容相对较低比电容相对较高适合大电流充放电不适合大电流充放电导电率高、内阻低导电率低、内阻高恒流充放电时电位线性变化往往存在特征放电电位电容量随电压恒定电容量不随电压恒定级电容器的结构-3 是超级电容器的结构示意图，超级电容器的结构与电池类似浸入电解液中，中间用隔膜隔开以阻止电接触，此外还有集流

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