多孔碳材料的设计及其高性能双电层电容器的研究

发布时间：2020-10-20 09:02

　　 能源危机和环境污染是制约当今世界发展的两个重大问题,研究开发一种清洁能源储存技术是实现可持续发展的必经之路。双电层电容器由于拥有卓越的循环稳定性、高的功率密度和快的充放电速度等优点,已经成为一种有前景的能源储存装置。它的电荷储存机理是在电极材料和电解液相接触的界面上形成双电层。虽然比表面积大、孔隙结构复杂和化学稳定性优异的多孔碳材料是最常用的电极材料,但也常因工作电压窗口窄、导电性差和孔径分布不均匀等缺点影响电化学性能。因此,通过合适的方法改性碳材料以获得更好的电容器性能是很有意义的课题。本文采用两种不同的方法活化不同的碳前驱体设计合成多孔碳材料,调控碳材料的比表面积、孔径分布、导电性、润湿性和电压窗口,以获得更好的双电层超级电容器性能。主要研究内容和结论如下:(1)通过直接碳化镍离子交换树脂,制备一种微/介孔相匹配且互相连通的纳米石墨化碳材料。均匀分散的镍纳米颗粒不仅是低成本离子交换树脂原位石墨化的催化剂,而且是形成微孔和介孔的致孔剂。在两电极体系和1.0 M H_2SO_4电解液中,制备的微/介孔孔体积比为1:2的石墨化多孔碳GC-800在电流密度0.5 A/g和功率密度125.0 W/kg条件下,具有优异的比电容66.0μF/cm~2和高的能量密度7.43 Wh/kg。此外,电极材料GC-800不仅具有低的电阻率和良好的倍率特性,而且通过浮动技术(95%,400 h)和GCD曲线技术(~110%,10000次)测试也揭示了其卓越的循环稳定性。(2)以廉价的氯化钠(NaCl)活化生物质海苔制备氧掺杂的多孔碳材料。样品NaClSC-800不仅拥有比表面积329.3 m~2/g,而且具有与电解液(1.0M H_2SO_4)相匹配的微孔结构(0.8~2 nm),并表现出良好的超级电容器性能。在三电极体系和电流密度0.5 A/g条件下,电极材料NaClSC-800表现出高的比电容324 F/g(98.5μFcm~(-2))。在两电极体系中,含氧量约为19%的电极材料NaCl SC-800不仅可以达到一个较宽的电压窗口1.4 V,而且在功率密度为175 W/kg时可以获得非常高的能量密度15.9 Wh/kg。同时,具有卓越的循环稳定性(98%,10000)和良好的倍率特性。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 文献综述
    1.1 引言
    1.2 超级电容器的简介
        1.2.1 超级电容器的概念和发展
        1.2.2 超级电容器的分类
        1.2.3 超级电容器的基本原理
        1.2.4 超级电容器的应用
    1.3 碳基超级电容器的电极材料
        1.3.1 活性炭
        1.3.2 碳纳米管
        1.3.3 碳气凝胶
        1.3.4 生物质多孔碳
        1.3.5 模板碳
    1.4 影响碳基电容器性能的因素
        1.4.1 比表面积与孔径分布
        1.4.2 表面官能团
        1.4.3 石墨化
    1.5 本论文的选题意义及主要研究内容
        1.5.1 选题意义
        1.5.2 主要研究内容
第二章 实验部分
    2.1 主要实验仪器与原料
    2.2 材料分析与表征
        2.2.1 X-射线衍射（XRD）
        2.2.2 拉曼光谱分析
        2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
2吸附-脱附等温线'>        2.2.4 N₂吸附-脱附等温线
        2.2.5 热重分析（TG）
    2.3 电化学测试方法
        2.3.1 循环伏安法（CV）
        2.3.2 恒电流充放电测试（GCD）
        2.3.3 电化学交流阻抗测试（EIS）
        2.3.4 能量密度（E）和功率密度（P）分析
        2.3.5 循环稳定性测试
第三章 纳米石墨化碳材料的制备及其超级电容器性能研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 石墨化多孔碳材料的制备
        3.2.2 电极材料的制备及测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 扫描电镜（SEM）
        3.3.2 XRD分析
        3.3.3 拉曼光谱分析
        3.3.4 热重分析
2吸附脱附等温线'>        3.3.5 N₂吸附脱附等温线
        3.3.6 电化学性能研究
    3.4 本章小结
第四章 氧掺杂多孔碳材料的制备及其电容器性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 NaClSC-T材料的制备
        4.2.2 电极材料制备及测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 XRD分析
2吸附脱附等温线'>        4.3.2 N₂吸附脱附等温线
        4.3.3 红外光谱图
        4.3.4 扫描电镜图（SEM）
        4.3.5 电化学性能研究
    4.4 本章小结
第五章 结论、创新点及展望
    5.1 结论
    5.2 创新点
    5.3 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2848486