活性碳纤维及其复合材料超级电容性能的研究

发布时间：2017-09-09 18:25

  本文关键词：活性碳纤维及其复合材料超级电容性能的研究

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【摘要】：超级电容器作为一种新兴的储能装置，由于其具有高功率密度以及循环寿命长等优点而引起了人们的广泛关注，它有希望被用于便携式电子设备、混合动力电动汽车、甚至是大型的工业设备上。在众多的碳电极材料中，活性碳纤维由于具有较大的比表面积、良好的导电性以及优秀的柔韧性而被大家普遍看好。本论文的研究重点为通过优化活化条件找到活性碳纤维的最佳制备方法，并在此基础上对活性碳纤维材料进行表面改性以及材料复合，揭示出比表面积、孔径分布情况和材料表面性质对材料电化学性能的影响，并对复合材料的协同作用进行探究。具体内容如下： 以聚丙烯腈基预氧丝为原材料，通过碳化与二氧化碳活化两步得到活性碳纤维，并调控活化时间分别为1h、3h和5h来制备不同样品，通过X射线衍射、氮气吸附,扫描电子显微镜以及拉曼光谱等测试手段，对所制得材料的结晶程度、形貌、比表面积以及孔径分布等情况进行研究，然后结合循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等电化学分析测试方法，采用对称电极的测试方式在6M的KOH电解液中研究不同活化时间所得材料的电化学性能，结果表明活化时间为3h所制得的材料比表面积最大且电化学性能最好，比表面积达到了469m2g-1，在0.5mAcm-2的电流密度下测试，比电容更是达到了140Fg-1。 通过使用浓度为35%、65%和95%的硝酸对已制备的活性碳纤维材料进行热处理来完成材料的表面改性。碳纤维的硝酸热处理是通过两个简单的步骤实现的：首先把原始的活性碳纤维浸润在硝酸中12h，之后把活性碳纤维过滤出来在80摄氏度下热处理12h。实验结果表明，浓度为65%的硝酸热处理过的活性碳纤维含有更多的含C-O键的官能团，同时比表面积仍能保持在428m2g-1（原始活性碳纤维的比表面积468m2g-1），导致了其可达比表面积达到了最大值并且产生了很高的赝电容。与原始碳纤维相比较在0.5mAcm-2的电流密度下其电容值提升了54%，，从140Fg-1增加到了214Fg-1,即使在100mAcm-2的大电流密度下，它的电容值仍能保持在160Fg-1（是原始材料的4倍）。3000次充放电循环后容量保持率仍接近100%。 以高锰酸钾和已制备的活性碳纤维为原料按照不同的比例原位微波水热合成活性碳纤维/二氧化锰复合材料。通过物性测试对不同复合比例材料的形貌、结构和组成进行详细的表征，并采用三电极测试法在1M硫酸钠电解液中对材料进行电化学测试。实验结果表明，含63%二氧化锰的复合材料的电化学性能最好，其综合了活性碳纤维的倍率性以及二氧化锰的高容量，0.5mAcm-2电流密度下的容量适中为130Fg-1；大电流下表现优异，在50mAcm-2的大电流密度下，复合材料的比电容为94Fg-1，远远超出了二氧化锰的3Fg-1和活性碳纤维的27Fg-1。
【关键词】：超级电容器 聚丙烯腈基活性碳纤维 二氧化碳活化法 硝酸热处理 活性碳纤维/二氧化锰复合材料
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-33
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超级电容器概述13-19
• 1.2.1 超级电容器的原理14-16
• 1.2.2 超级电容器的研究现状及发展16-18
• 1.2.3 超级电容器的结构18-19
• 1.3 超级电容器电极材料的发展状况19-23
• 1.3.1 碳材料19-22
• 1.3.2 金属氧化物材料22
• 1.3.3 导电聚合物材料22-23
• 1.4 论文选题目的、意义和研究内容23-26
• 1.4.1 问题的提出23-24
• 1.4.2 目的和意义24
• 1.4.3 研究内容24-25
• 1.4.4 创新点25-26
• 参考文献26-33
• 第二章 实验方法33-38
• 2.1 材料的物理性质表征技术33-34
• 2.1.1 扫描电镜33
• 2.1.2 透射电镜33
• 2.1.3 X射线衍射33-34
• 2.1.4 比表面积测试和孔径分布测试34
• 2.1.5 拉曼光谱34
• 2.2 材料的电化学测量技术34-36
• 2.2.1 循环伏安法34-35
• 2.2.2 恒流充放电35
• 2.2.3 电化学阻抗35-36
• 参考文献36-38
• 第三章 活化时间对活性碳纤维性质的影响38-51
• 3.1 引言38
• 3.2 实验部分38-40
• 3.2.1 实验所用材料与试剂38-39
• 3.2.2 活性碳纤维的制备39-40
• 3.2.3 活性碳纤维电极的制作40
• 3.3 测试及分析40-48
• 3.3.1 活性碳纤维的物理测试及结果分析40-45
• 3.3.2 活性碳纤维的电化学测试及结果分析45-48
• 3.4 本章小结48-49
• 参考文献49-51
• 第四章 硝酸热处理改性对活性碳纤维性质的影响51-67
• 4.1 引言51-52
• 4.2 实验部分52-53
• 4.2.1 实验所用材料与试剂52
• 4.2.2 活性碳纤维的硝酸热处理52
• 4.2.3 电极的制作52-53
• 4.3 测试与分析53-64
• 4.3.1 硝酸热处理材料物理性质的测试与结果分析53-59
• 4.3.2 硝酸热处理材料电化学性质的测试与结果分析59-64
• 4.4 本章小结64-65
• 参考文献65-67
• 第五章 ACF/MnO_2复合材料的制备与电化学协同作用67-84
• 5.1 引言67-68
• 5.2 实验部分68-70
• 5.2.1 实验所用材料与试剂68
• 5.2.2 不同比例ACF/MnO_2复合材料的制备68-69
• 5.2.3 复合材料电极的制备69-70
• 5.3 测试与分析70-81
• 5.3.1 不同比例复合材料物理性质的测试与结果分析70-76
• 5.3.2 不同比例复合材料电化学性质的测试与结果分析76-81
• 5.4 本章小结81-82
• 参考文献82-84
• 第六章 结论与建议84-87
• 6.1 全文结论84-86
• 6.2 工作建议86-87
• 作者简介及硕士期间取得的科研成果87-88
• 致谢88

【参考文献】

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本文编号：822038