超级电容器用多孔炭纳米片的制备及其电化学性能

发布时间：2017-09-23 15:02

  本文关键词：超级电容器用多孔炭纳米片的制备及其电化学性能

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【摘要】：超级电容器作为一种绿色的储能器件,具有功率密度大、充放电时间短、使用寿命长等优点,备受科研人员的青睐。本文均以碳酸钙为模板,KOH为活化剂,分别以石油沥青、煤焦油、蒽油为碳源,制得多孔炭纳米片材料。通过场发射扫描电镜、透射电镜、氮吸脱附、X-衍射光电子能谱、拉曼光谱分析等技术分析炭材料的形貌和孔结构,并测试其电化学性能。主要结论如下:以石油沥青为碳源,制得多孔炭纳米片(PCNs)。当石油沥青、碳酸钙、KOH的质量、活化温度分别为4 g、12 g、12 g、850℃时,所得材料命名为PCN4-850。PCN4-850的比表面积为1922 m2/g,总孔容为1.21 cm3/g,平均孔径为2.51 nm。在6 M KOH电解液中,0.05 A/g电流密度下,PCN4-850的比容高达293 F/g,超级电容器的能量密度为10.2 Wh/kg;当电流密度扩大400倍后,比容保持率为78.8%。在5 A/g电流密度下,PCN4-850经过5000次循环充放电后比容保持率为95.0%,显示了较好的循环稳定性;在BMIMPF6电解液中,0.05 A/g电流密度下,PCN4-850的比容为267 F/g,超级电容器的能量密度为148.3 Wh/kg。上述结果表明PCN4-850在水系电解液和离子电解液中均具有优异的电化学性能。以煤焦油为碳源,当煤焦油、碳酸钙、KOH的质量、活化温度分别为6 g、12 g、12 g、950℃时,所得材料命名为PCN6-12-12-950,其比表面积为2079 m2/g,总孔容为1.52 cm3/g,平均孔径为3.65 nm。在BMIMPF6电解液中,0.05 A/g电流密度下,PCN6-12-12-950的比容为172 F/g,能量密度高达95.12 Wh/kg;即使在功率密度为15055 W/kg的条件下,其可用能量密度仍有12.98 Wh/kg。在1 A/g电流密度下,PCN6-12-12-950电极经过500次循环充放电后比容保持率为61.82%。以蒽油为碳源,制得卷曲状多孔炭纳米片材料(CPCNs)。当蒽油、碳酸钙、KOH的质量、活化温度分别为6 g、9 g、12 g、950℃时,所得材料命名为CPCN6-950。当活化温度由900℃提高至1000℃,所得材料的比表面积和总孔容均减小,比表面积由1822 m2/g减小至1090 m2/g,总孔容由4.11 cm3/g减小至2.55 cm3/g。在BMIMPF6电解液中,0.05 A/g电流密度下,CPCN6-950的比容高达256 F/g,CPCN6-950基超级电容器的能量密度高达142.75 Wh/kg。在6 M KOH电解液中,经过5000次循环充放电后,CPCN6-950的比容保持率为94.7%,显示了优异的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 碳酸钙 多孔炭纳米片 电化学性能
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 前言9-10
• 1.2 超级电容器简介10-16
• 1.2.1 超级电容器的机理及分类10-14
• 1.2.2 超级电容器的结构14
• 1.2.3 超级电容器的优点14-15
• 1.2.4 超级电容器的应用15-16
• 1.3 超级电容器电极材料16-20
• 1.3.1 金属氧化物16-17
• 1.3.2 导电聚合物17
• 1.3.3 碳基材料17-20
• 1.4 超级电容器的电解液20-21
• 1.5 本文选题背景和研究内容21-23
• 第二章 实验23-32
• 2.1 实验原料和仪器23-25
• 2.1.1 实验原料23-24
• 2.1.2 实验仪器24-25
• 2.2 材料分析表征25-28
• 2.2.1 热重分析25
• 2.2.2 场发射扫描电镜25
• 2.2.3 透射电镜25
• 2.2.4 氮吸脱附分析25-27
• 2.2.5 X-衍射光电子能谱分析27
• 2.2.6 X-射线衍射分析27-28
• 2.2.7 拉曼光谱分析28
• 2.3 电极材料的电化学性能测试28-32
• 2.3.1 恒流充放电测试28-29
• 2.3.2 循环伏安测试29-30
• 2.3.3 交流阻抗谱测试30-32
• 第三章 石油沥青基多孔炭纳米片的制备及其电化学性能32-50
• 3.1 实验部分33-35
• 3.1.1 石油沥青基多孔炭纳米片材料的制备33-34
• 3.1.2 电极的制备与超级电容器组装34-35
• 3.2 结果与讨论35-48
• 3.2.1 工业分析与元素分析35-36
• 3.2.2 热重分析36-37
• 3.2.3 TEM分析37-38
• 3.2.4 氮吸脱附分析38-39
• 3.2.5 XPS分析39-42
• 3.2.6 Laman分析42-43
• 3.2.7 电化学性能测试43-48
• 3.3 本章小结48-50
• 第四章 煤焦油基多孔炭纳米片的制备及其电化学性能50-61
• 4.1 实验部分50-52
• 4.1.1 多孔炭纳米片材料的制备50-51
• 4.1.2 多孔炭纳米片电极的制备与组装51-52
• 4.2 结果与讨论52-60
• 4.2.1 FESEM和SEM分析52-53
• 4.2.2 XRD分析53
• 4.2.3 氮吸脱附分析53-54
• 4.2.4 XPS分析54-56
• 4.2.5 电化学性能测试56-60
• 4.3 本章小结60-61
• 第五章 蒽油基卷曲状多孔炭纳米片的制备及其电化学性能61-75
• 5.1 实验部分61-63
• 5.1.1 卷曲状多孔炭纳米片的制备61-62
• 5.1.2 卷曲状多孔炭纳米片电极的制备与超级电容器的组装62-63
• 5.2 结果与讨论63-73
• 5.2.1 FESEM和TEM分析63-64
• 5.2.2 XRD分析64
• 5.2.3 氮吸脱附分析64-66
• 5.2.4 XPS分析66-68
• 5.2.5 Raman分析68
• 5.2.6 电化学性能测试68-73
• 5.3 本章小结73-75
• 第六章 结论、创新点及其展望75-77
• 6.1 本文结论75-76
• 6.2 本文创新点76
• 6.3 下一步工作展望76-77
• 参考文献77-84
• 攻读硕士期间获奖和发表专利情况84-85
• 致谢85

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本文编号：905888