碳化鈣骨架碳的制備及其修飾在超級電容器中的應(yīng)用.pdf

1、超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的一種新型儲能器件,它比常規(guī)電容器具有更高的比能量,比二次電池具有更大的比功率和循環(huán)壽命,而且兼有使用溫度范圍寬(-20~60℃)、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn),在電動汽車的起動與加速以及需要較高功率密度輸出電動工具中,具有很廣闊的應(yīng)用。而電極材料是決定電化學(xué)電容器性能優(yōu)越與否的關(guān)鍵因素,因此電極材料的研究一直成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本課題采用低溫一步法制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的碳化鈣骨架碳(CCDC),為了進(jìn)一步改

2、善其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能,分別采用硝酸、聚苯胺、尿素和三聚氰胺進(jìn)行修飾處理,研究了修飾前后材料的物理特性和電化學(xué)性能。
　　本文以廉價碳化鈣(CaC2)為前驅(qū)體,新鮮制備的氯氣為刻蝕劑,在400℃下制備了CCDC。為了改善CCDC表面結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能,采用6M硝酸進(jìn)行活化處理。用紅外光譜(IR)、N2吸脫附等溫線、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等分析對活化前后的CCDC進(jìn)行物理性能表征。結(jié)果表明:活化后的H-CCDC的比表面積

3、和孔徑有所增大,增加了表面含氧官能團(tuán),增大了電極材料的親水性能,有利于電解質(zhì)離子的吸附與雙電層電容的形成。因此,H-CCDC的比電容由154.7 F·g-1增加到191.5 F·g-1,且循環(huán)10,000次后其比容量波動范圍僅為2-3％。
　　為了引入高的法拉第準(zhǔn)電容,采用化學(xué)氧化聚合法制備了碳化鈣骨架碳/聚苯胺(CCDC/PANI)復(fù)合材料。用IR、SEM和TEM等研究了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和形貌,發(fā)現(xiàn)絮狀的PANI均勻地沉積在CCD

4、C的表面及孔道結(jié)構(gòu)內(nèi)部中。電化學(xué)性能測試表明,CCDC/PANI比電容明顯高于純 CCDC,其循環(huán)壽命又比純PANI優(yōu)越。循環(huán)伏安測得CCDC/PANI電極的比電容為713.4 F·g-1,且循環(huán)1000次后容量保持率仍為81.3%,功率密度和能量密度分別為2.5 kW·kg-1和67.5 Wh·kg-1,是一種很有前景的大功率超級電容器電極材料。
　　為了增加碳材料的氮、氧官能團(tuán),分別采用尿素(urea)、三聚氰胺(melami

5、ne)來修飾CCDC,制備出富氮、氧功能化的電極材料,分別為U-CCDC和M-CCDC,并用IR、元素分析等對其進(jìn)行物理表征。發(fā)現(xiàn)U-CCDC和M-CCDC表面明顯有氮、氧官能團(tuán)存在,極大地改善了CCDC的結(jié)構(gòu)和表面活性。電化學(xué)性能測試結(jié)果表明,經(jīng)尿素、三聚氰胺處理后的U-CCDC和M-CCDC,在1M H2SO4中比電容分別達(dá)到210.8 F·g-1和225.4 F·g-1,比修飾前分別增長了36.3%和45.7%,且循環(huán)5,000次