多孔碳基超級電容器電極材料的制備與性能研究.pdf

1、作為新型能量儲存/轉(zhuǎn)換裝置，超級電容器相比于其他傳統(tǒng)的電化學(xué)儲能裝置，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。雙電層電容通過電極表面和電解質(zhì)液面之間形成的極薄的雙電層來進(jìn)行儲能，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單易制的高性能的電極材料。同時采用掃描電鏡(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)工作站對其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。論文分為以下三個體系:
　　1、以酚醛樹脂納米球?yàn)樘荚矗捎脽o惰性氣氛無化學(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)。考察活化時間對孔結(jié)構(gòu)的影響，表明多孔碳中介孔比例隨活化時間的延長而增多。6小時活化的樣品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，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)和微介孔分級的孔道結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試表明，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，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％)。組裝所得對稱型兩電極體系具有高的能量密度