基于秸秆生物质碳材料的绿色新型超级电容器的制备和性能

发布时间：2020-05-13 16:24

【摘要】：超级电容器是指介于传统电容器和化学充电电池之间的一种新型储能器件,它有着超大的电容量可达几千法拉,具有较高的能量密度和充放电功率,同时它的工作温度范围广、循环使用寿命长、可以免维护、对环境经济环保、绿色等优点,被认为是最适宜的、对环境友好和可持续发展的一种清洁储能设备。随着全球经济的快速发展,能源危机日趋严重,迫切需要研究开发各种各样新型能源及其储能装置。而超级电容器的出现正好为这些问题的解决提供了可能,因而受到了广大研究人员的关注。生物质材料,尤其是一些废弃的生物质材料来源广泛,对其综合利用不仅可以有效的缓解化石能源的短缺带来的能源危机,而且可以减缓由于过度焚烧生物质材料带来的环境污染,具有良好的经济、社会和生态效益。本论文采用秸秆类生物质材料为基本原料,通过对其进行活化处理,制得了相应的活性炭材料,然后将其作为超级电容器电极材料的主要组成部分,考察了它们的应用性能,取得了以下研究成果:1、利用小麦秸秆和聚丙烯腈(PAN)作为原料,通过静电纺丝法结合化学碳化的方法制备了小麦秸秆碳纳米纤维超级电容器电极材料。当在聚丙烯腈(PAN)中掺杂10%小麦秸秆时,制备的纳米碳纤维材料显示了最佳的电化学性能,电流密度为0.4 A/g时,其比电容为249.0 F/g,且该材料具有良好的循环稳定性,在2 A/g的电流密度下,循环充放电1000次后,比电容仅比初始电容值降低了3.6%,电极材料表现出优异的循环稳定性能。用废弃的生物质资源制备优异性能的电极材料,不仅实现了资源的高值化利用,而且从一定程度上解决了环境污染问题。2、利用废弃物工业大麻杆为生物质原材料,以不同质量比的KOH作为化学活化剂,通过一步碱化法成功制备了三维麻杆基多孔活性碳(HM-ACs)材料。利用质量比为3:1的KOH制备的多孔碳材料HM-AC-3表面积高达1934.26 m2/g,将其作为电极材料,表现出优异的电容性能,在电流密度为1 A/g下,比电容可以达到1683.75 F/g,当循环充放电10000圈,电容保持率为91.67%。以该材料组装的HM-AC-3//HM-AC-3对称型超级电容器具有1.6 V的宽电位窗口和16.16Wh/kg的较高能量密度。HM-ACs作为一种新型和有前景的能源材料,具有优良的研究价值与开发潜力。3、通过操作简单的电沉积的方法,在上一部分制备好的麻杆多孔活性碳(HM-AC)@泡沫Ni上原位生长Ni_3S_2纳米片,制备了无粘结剂的Ni_3S_2/HM-AC@Ni复合电极材料。当沉积圈数为3圈时,制得的复合材料显示出优异的形貌和电化学性能,在6 M KOH碱性电解液中,1 A/g的电流密度下,比电容高达2797.43 F/g。以该复合材料为正极,三维麻杆多孔活性炭(3D HM-AC)为负极,成功组装了一种新型的全固态(ASS)不对称超级电容器3D HM-AC//Ni_3S_2/3D HM-AC。该电容器不仅具有较宽的电压窗口(1.2 V)和较大的电容量(267.6 F/g,1 A/g),而且具有高的能量密度(55.32 Wh/kg,1 A/g)和功率密度(1053.71 W/kg,1 A/g)以及较好的循环稳定性(循环充放电10000次后,比电容保持率达到了83.47%),表现出良好的实际应用前景。
【图文】：

diff）。其关系为:超级电容器是基于双电层原理的电容器，其原理如图1.1。当两个电极浸入电解液中，中间用隔膜隔开以阻止电接触时，，在充电状态下，电解液中阴离子和阳离子分别向正极和负极移动，进而在电极-电解液的界面形成两个双电极，离子的分离也导致整个单元组件中存在一个电位差，从而实现能量的储存。放电过程正好相反。由此可以得出结论：超级电容器的充放电过程是一种物理过程，电极材料和电解液之间没有发生化学反应，是一种单纯的电荷积累过程，因此性能比较稳定。图 1.1 双电层电容器的电荷存储原理Figure 1.1 Charge storage mechanism of an electric double-layer capacitor1.3.2.2 赝电容器工作原理

本文编号：2662218