碳基超級(jí)電容器電極材料的研究.pdf

1、超級(jí)電容器又叫電化學(xué)電容器，它結(jié)合了電池高的能量密度和傳統(tǒng)靜電電容器大的功率密度等優(yōu)勢(shì)。按照超級(jí)電容器的工作機(jī)制分類，超級(jí)電容器可分為雙電層電容器、法拉第贗電容器和混合電容器三類。其中雙電層電容器是具有大的比表面積和高導(dǎo)電率的碳材料，法拉第贗電容是指具有比電容高、能量密度大等優(yōu)勢(shì)的過(guò)渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，而混合型超級(jí)電容器是將雙電層和法拉第贗電容結(jié)合產(chǎn)生的。
　　將碳材料納米化或介孔化是獲得雙電層電容的主要手段，碳基復(fù)合材料（

2、包括碳基過(guò)渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飶?fù)合材料）和元素?fù)诫s材料是兩種主要的贗電容材料。在本文中，柔性石墨紙是重要的實(shí)驗(yàn)原料，其制備過(guò)程是陰離子插層到天然石墨的石墨層后在熱處理?xiàng)l件下形成膨脹石墨，然后進(jìn)行軋制。因此其內(nèi)部的石墨烯層片之間的作用力變得微弱，在電場(chǎng)或高溫的條件下，插層離子能夠容易地插入到柔性石墨紙的石墨層中，增大其層間距離，即可導(dǎo)致柔性石墨紙的膨脹和石墨烯的形成。
　　本文具體研究成果如下：
　　1）利用電化學(xué)剝離法在

3、硫酸溶液中處理柔性石墨紙，通過(guò)控制工藝參數(shù)，使得柔性石墨紙表面膨脹形成自支撐石墨烯，減少了石墨烯的團(tuán)聚和堆垛，同時(shí)未膨脹的部分作為集流體使用。之后采用電沉積法在石墨烯表面均勻仿形地鍍覆一層聚苯胺薄膜，獲得石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極材料。經(jīng)電化學(xué)測(cè)試，該復(fù)合材料在10mV/s-1時(shí)的面積比電容為1.36F/cm-2，質(zhì)量比電容達(dá)491.3F/g-1。以掃速50mV/s-1的速率循環(huán)5000圈后，比電容保持率達(dá)86％。組裝的對(duì)稱型超級(jí)電容器獲得

4、的最大能量密度為46Wh/k g-1。
　　2）利用電化學(xué)剝離法在過(guò)硫酸銨溶液中處理柔性石墨紙，使得柔性石墨紙表面膨脹形成自支撐石墨烯，之后采用微波輔助沉積法在石墨烯表面均勻仿形地沉積一層二氧化錳顆粒，獲得石墨烯/氧化錳復(fù)合電極材料。經(jīng)電化學(xué)測(cè)試，該復(fù)合材料在2mV/s-1時(shí)的最大面積比電容為2.8F?cm-2，質(zhì)量比電容達(dá)465F/g-1。將復(fù)合材料組裝成非對(duì)稱超級(jí)電容器，獲得的最大能量密度為25.6Wh/kg-1。在1A/g-

5、1的電流密度下經(jīng)過(guò)5000次恒流充放電循環(huán)后，電容保持率在87%以上
　　3）采用硝酸鉀熔鹽法對(duì)柔性石墨紙進(jìn)行熱處理獲得不同形貌的碳納米材料，討論了不同溫度下不同碳微觀形貌的形成機(jī)理。熔鹽在350、500和600oC三個(gè)溫度下，分別獲得了多孔石墨烯、碳納米籠和碳納米球三種形貌。三種碳納米材料在2mV/s-1掃速下的最大電容值分別為309、285、231F/g-1。經(jīng)過(guò)5000次的循環(huán)之后，三種碳材料的電容保持率在96%以上。

6、>　　4）采用氧化聚合燒結(jié)法，以兩性三嵌段共聚物F127為模板，通過(guò)苯胺單體的氧化聚合，在N2氣氛中800oC高溫?zé)Y(jié)并使用強(qiáng)堿性KOH進(jìn)行活化處理，最終獲得摻氮介孔碳材料。在0.2A/g-1的電流密度下，摻氮介孔碳材料的比電容為318F/g-1。在不同的電流密度下，經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)之后，摻氮介孔碳的電容保持率均保持在96%以上，顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器，獲得的最大能量密度為11.25Wh/k g-1。在1A/g-