低成本高性能活性炭及其超级电容器性能研究

发布时间：2020-05-17 00:40

【摘要】：超级电容器是一种非常重要的储能装置,与二次电池相比,它具有更高的功率密度和更长的循环寿命。活性炭材料由于比功率高、循环稳定性好以及成本低廉,使得其成为超级电容器商业化电极材料之一。其中,活性炭材料的活化方法对其制备成本和电化学性能具有较大影响。本文通过对活性炭制备方法进行改进,制备出高性能活性炭材料,并尽可能在制备过程中降低成本。论文主要内容与结果如下:(1)以商业化活性炭YP50f为原料,利用高锰酸钾对其孔径进行了一定尺度的扩大,使得其微孔可有效地容纳中性电解质离子,介孔可作为离子的快速运输通道。通过改性制备的活性炭材料(KYP50f)在中性电解液中比电容达到132 F g~( 1),较YP50f提高了40%。与硝酸锌对比,高锰酸钾在常温下就可以对碳材料进行活化,可以有效降低活化成本。以KYP50f作为负极材料组成的非对称超级电容器,在电流密度为0.5 A g~( 1)比电容达到50 F g~( 1),比能量高达22.5 Wh kg~( 1)。在比能量为13.05Wh kg~( 1)时比功率高达9000 W kg~( 1)。(2)对活性炭传统两步高温煅烧的制备方法进行改进,以琼脂为前驱体,通过热碱预处理,采用一步活化法得到高性能、低成本的活性炭材料。通过热碱进行处理,琼脂发生脱氧反应,环状分子断裂,KOH得以附着在分子链上,在高温活化过程中实现分子水平的活化。相较于传统两步法,一步活化法制得的活性炭材料(AC-1)省去了生物质材料高温碳化过程,能耗较低。在6 mol L~( 1)KOH三电极体系中,在1 A g~( 1)电流密度下,AC-1的比电容为226 F g~( 1),是两步法AC-2比电容164 F g~( 1)的1.4倍。在两电极体系中,电流密度为0.25 A g~( 1)时,两电极比电容为57 F g~( 1)。经20000次循环后保持率为88.6%,表现出很好的循环稳定性。(3)利用葡萄糖作为前驱体,对碱液活化生物质前驱体进行探究。当有机分子中含有环氧基团、羟基和醛基等基团时,在碱液或热碱的作用下会发生分子键断裂,进而生成小分子产物,为生物质前驱体的选取和处理方法提供了理论依据。活性炭AC-12h具有优异的电化学性能,在6 mol L~( 1)KOH三电极体系中,在1 A g~( 1)电流密度下其比电容达到268 F g~( 1),电流密度由1A g~( 1)增加到10 A g~( 1)电容保持率为90%。经10000次循环后保持率为91.7%,表现出很好的循环稳定性。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ424.1;TM53

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