超级电容器用二维结构导电电极的设计构筑

发布时间：2020-07-01 11:40

【摘要】：超级电容器因其优异的倍率特性、循环稳定性和安全性而备受关注,然而多数材料的三维颗粒特征使得其无法在高倍率下提供应有的容量,限制了电容器的性能改善和应用领域。因此开发高倍率大容量电极材料是提高超级电容性能的必由之路,具有重要的应用价值。电极材料二维化有助于提高材料的表面和孔的利用率,同时减小离子的扩散距离,进而提高材料的容量和倍率特性。本文旨在采用从下至上的技术策略,通过调控碳源分子相互作用,利用绿色模板和原位掺杂源,通过热解分别制备了多种二维掺杂多孔炭片；同时利用从上至下的技术手段设计制备了具有原子水平厚度的二维材料 MXene及其复合材料,并研究了这两类二维导电材料的电容性能。具体研究内容如下：以壳聚糖为含氮碳源,经溶解提高分子自由程度,利用冷冻形成的原位冰模板减轻壳聚糖分子的堆叠程度,通过冷冻干燥得到保持分子混乱堆积的壳聚糖冰凝胶,直接碳化得到由炭片组成的炭凝胶；该含氮炭片具有远大于壳聚糖粉末基炭的比表面积和孔容,且其电容性能远优于壳聚糖粉末基炭(242 vs 8 F g-1),同时具有优异的倍率特性和循环稳定性。含氮炭片经KOH活化后制得比表面积高达3000m2g-1的多孔炭片,该多孔炭片具有优异的比电容、倍率特性和循环稳定性。通过向壳聚糖冰凝胶内原位引入具有掺杂源的反应性模板剂对甲苯磺酸和硼酸,通过直接碳化分别制备得到具有氮硫和氮硼共掺杂的整体多孔炭凝胶。氮硫共掺杂多孔炭具有类泡沫炭的孔泡结构,氮硼共掺杂多孔炭具有二维片状结构。这种普适性方法制得的双元共掺杂多孔炭均表现出了良好的电容特性,且双掺杂炭性能优于单掺杂炭。将含氮明胶限制在原位生成的片状硼酸层间,通过直接碳化和沸水回流制得超薄的二维氮硼共掺杂炭片,这种炭片可组装成柔性膜和超低密度的气凝胶。该炭片形貌、成分通过硼酸/明胶质量比可调,且这类炭片具有优异的电容性能,质量比电容和界面电容远高于文献报道值,同时具有优异的倍率性能和稳定性；当组装成无粘结剂自支撑柔性膜时倍率性能进一步提升。利用氢氟酸选择性的刻蚀掉Ti3AlC2中的铝,制得二维堆叠的多层MXene,通过在多层MXene层间插入二甲基亚砜,超声剥离得到具有原子水平厚度的单层或少层MXene。利用真空辅助组装得到具有优异导电性的柔性自支撑MXene膜,利用表面电荷和原位插层方法分别制备了两种MXene聚合物柔性自支撑复合物膜。这三类MXene基柔性膜具有良好的机械强度、导电性和优异的体积比容量、倍率特性和循环稳定性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TQ127.11
【图文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ逡逑电化学电容也即超级电容是通过在多孔炭表面可逆的通过静电进行离子的积累而逡逑存储能量的一类储能设备（图１．１）。丨超级电容器（或称之为电化学电容器，逡逑ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ）的储能机理与传统的平行板电容器一样，只是超级电容器通过逡逑利用比表面积高达数千的多孔炭作为电极材料，利用电极材料／电解液界面形成的厚度只逡逑有数纳米的双电层作为介电物质，在上述的三项容量限制因素方面同时改善电容器，因逡逑此这类电化学电容器单个设备具有远高于传统电容器的容量，其容量可达到几十上百法，逡逑－２－逡逑

双电层的发展较早，早在１９世纪ｖｏｎ邋Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ在其研究胶体悬浮液的工作中首次逡逑提出了双电层概念的模型。［９］该模型提出了在电极／电解液界面形成了电荷相反的两个层，逡逑类似平板电容器，两极板间距为原子尺度（图１．３ａ）。随后Ｇｏｕｙ和Ｃｈａｐｍａｎ对Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ逡逑－４－逡逑

本文编号：2736711