沥青基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-12-23 14:02

本文关键词：沥青基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究　出处：《太原理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：经济的迅猛发展和人们生活水平的不断改善导致了对能源的需求日益增加。石油、天然气等化石资源日益紧缺,随之产生的“三废”等各种环境污染问题也不断加剧,引发了全球性的危机。因此,如何能够高效利用绿色清洁能源已成为各方学者共同关注的问题,也是世界各国共同探索的重要课题。目前,已经进行了燃料电池、混合动力电池、化学电池等应用的研究与开发,且取得了一定的成效。但是它们存在使用寿命短、化学电池污染环境、温度特性差、价格昂贵等缺点,一直未能找到很好的解决办法。而超级电容器,作为一种重要的新型储能元件,具有较高的功率密度和良好的循环稳定性,拥有广阔的发展前景,已经引起了科学工作者的共同关注。在超级电容器中,电极材料是决定电容器性能的至关重要的因素。其中,作为唯一已经工业化的电极材料,多孔炭材料因其优异的导电性,高的比表面积及良好的充放电稳定性受到了普遍关注,是制备电容器电极材料的首选。但鉴于双电层的储能机理,这类材料的比电容普遍偏低。因此,通过提高比表面积、合理控制孔结构或构建复合材料是目前研究的热点内容。鉴于此,本工作采用廉价的生物质木屑,对沥青基炭材料进行氧掺杂,可提高材料在电解液中的润湿性,并通过氧化还原反应增加额外的赝电容,从而提升电极材料的总比电容。随后在上述制备的炭材料表面电化学沉积聚苯胺,使之形成具有纳米线结构的复合电极材料,这样可以减小电解液的扩散阻力,有利于电解液的渗透与反应,增加了电极的有效面积,提高了比电容。这些措施可极大地降低制备超级电容器电极材料的成本和提高电容器的电化学性能。研究过程中采用了扫描电镜、氮吸附/脱附、X射线衍射技术、X射线光电子能谱、元素分析等表征方法和循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等电化学测试方法。主要结果如下:(1)以煤沥青(Coal tar pitch,CTP)为碳源前驱体,木屑(Sawdust,SD)为供氧前驱体,KOH为活化剂,成功的制备了氧掺杂的多级孔性炭材料。当木屑与煤沥青质量比为5:10时,制得的炭材料AC-SD-0.5保留了木屑良好的天然管束状结构,且比表面积可达2224 m~2/g。木屑的引入极大地提高了炭材料的含氧量,其含量增加了24.83 wt.%(同单独煤沥青制备而得的炭材料(AC-SD-0)的0.17 wt.%相比较)。在电化学性能上,电极AC-SD-0.5在0.5 A/g的电流密度下比电容为251 F/g;当电流密度提高到5 A/g时,倍率性能为74%;且在2 A/g的电流密度下进行循环性能测试,7000次循环后,比电容保留率仍可达93%。其出色的电化学性能归因于:(1)材料中木屑天然的管束状结构,为电子、离子的传输提供了良好的通道(2)氧掺杂后改善了电极表面同电解液的润湿性,提高了赝电容。因此AC-SD-0.5是较理想的超级电容器碳电极材料。(2)选用AC-SD-0.5为基底,通过电化学沉积聚苯胺(Polyaniline,PANI)构造了具有发达纤维结构的聚苯胺纳米线复合电极材料。探讨了不同时间的沉积量对电化学性能的影响。其中,在沉积9 min时,由于协同效应的存在,AC-SD-0.5-9 min的比电容可达477.65 F/g,倍率性能为89.21%;在循环5000次后,循环性能仍可达90.97%。随后与石墨烯纳米片(Graphene nanosheets,GNs)、商业活性炭(Activated carbon,AC)作为聚苯胺沉积基底制得的电极材料电化学性能进行了比较,探讨了不同基底形貌结构和比表面积对电化学沉积聚苯胺的电化学性能的影响。三种不同基底下,比电容值AC-SD-0.5-9 min(477.65 F/g)AC-9 min(288.45 F/g)GNs-9 min(70.01 F/g)。倍率性能AC-9 min(95.45%)AC-SD-0.5-9min(89.72%)GNs-9 min(58.23%)。循环性能AC-SD-0.5-9 min(90.97%)GNs-9 min(72.53%)AC-9 min(58.59%)。AC-9 min和GNs-9 min或者是比电容值不理想,或者是倍率性能和循环性能不能同时兼顾。而基底AC-SD-0.5良好的多级孔性结构对于电解液离子、电子的传输有促进作用,且高的比表面积可以为电化学反应提供更多的活性位点。因此所制备的拥有良好循环性能和倍率性能的复合电极材料AC-SD-0.5-9 min可作为理想的超级电容器电极材料。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53;O646

【参考文献】