多孔碳基超級(jí)電容器電極材料的制備與性能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、作為新型能量?jī)?chǔ)存/轉(zhuǎn)換裝置,超級(jí)電容器相比于其他傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,具有諸多的優(yōu)點(diǎn),如充放電速度極快,重復(fù)性能好,循環(huán)性優(yōu)異等。超級(jí)電容器介于普通電容器和傳統(tǒng)化學(xué)電池之間,根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理分為雙電層電容和贗電容兩種類型。雙電層電容通過(guò)電極表面和電解質(zhì)液面之間形成的極薄的雙電層來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能,相比贗電容,具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、快速的充放電速率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn),是目前商品化電容器的主要類型。然而當(dāng)前的雙電層電容器面臨能量密度低的問(wèn)題,而能量密度主要

2、由電極材料的比電容決定。多孔碳是雙電層電容器中常用的電極材料,其孔道根據(jù)孔徑不同可分為三類:微孔,介孔和大孔。微孔容易阻礙電解質(zhì)離子的傳輸,大孔則實(shí)現(xiàn)不了高的表面積,相比于這兩類孔型,介孔的優(yōu)勢(shì)較大。本論文以多孔碳作為基礎(chǔ)研究材料,選取不同的制備方法和不同的原材料,并且嘗試通過(guò)摻雜的方式,制備出了具有高比表面積,適宜的孔徑分布以及低成本簡(jiǎn)單易制的高性能的電極材料。同時(shí)采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、氮吸附、X射線衍射(XRD

3、)、Raman和XPS對(duì)電極材料的結(jié)構(gòu)與組成成分進(jìn)行了表征,運(yùn)用電化學(xué)工作站對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。論文分為以下三個(gè)體系:
  1、以酚醛樹(shù)脂納米球?yàn)樘荚?,采用無(wú)惰性氣氛無(wú)化學(xué)活化劑的空氣活化法制備具有高比表面積的多孔碳納米球(AACS)??疾旎罨瘯r(shí)間對(duì)孔結(jié)構(gòu)的影響,表明多孔碳中介孔比例隨活化時(shí)間的延長(zhǎng)而增多。6小時(shí)活化的樣品AACS-6具有最高的比表面積(2178m2g-1)和最大孔容(1.01cm3g-1)。電化學(xué)測(cè)試表明,A

4、ACS-6具有最大的比電容值222F g-1(0.5Ag-1),優(yōu)異的倍率性能(20A g-1保留87.5%)和循環(huán)性能(5000圈循環(huán)后保留97%)。組裝所得對(duì)稱型兩電極體系具有高的能量密度(功率密度為398.7W kg-1時(shí),能量密度為10.1Wh kg-1)。
  2、以生物質(zhì)香榧?xì)樘荚?,采用惰性氛圍KOH活化法制備具有良好形貌和高比表面積的生物質(zhì)多孔碳。研究結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)節(jié)活化溫度和KOH用量可調(diào)控多孔碳的孔道結(jié)構(gòu)。以

5、香榧?xì)?KOH質(zhì)量比為1∶3經(jīng)800℃活化所得樣品AC-800-3具有最大的比表面積(2100.8m2g-1)和微介孔分級(jí)的孔道結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試表明,AC-800-3具有最大的比電容值290.5Fg-1(0.5Ag-1),良好的倍率性能(20A g-1保留62.6%)。組裝所得對(duì)稱型兩電極體系具有高的能量密度(功率密度為360.1W kg-1時(shí),能量密度為13.5Wh kg-1)和優(yōu)異的循環(huán)性能(5000圈循環(huán)后保留93.1%)

6、  3、以介孔氧化硅SBA-15為硬模板,糠醇為碳源,三聚氰胺為氮源,通過(guò)模板復(fù)制和KOH化學(xué)活化制備具有發(fā)達(dá)介孔結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。當(dāng)KOH/碳質(zhì)量比為2∶1,800℃活化所得多孔碳ANMC-2具有發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu),比表面積高達(dá)2277.7m2g-1,氮含量為3.84%。電化學(xué)測(cè)試表明,ANMC-2具有極高的比電容292.6F g-1(0.5Ag-1),良好的倍率性能(20Ag-1保留82.7%)。組裝所得對(duì)稱型兩電極體系具有高的能量密度

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