模板碳的制备及其电容性能的研究

论文摘要

近几年来,超级电容器作为一种新型储能器件,受到世界各国政府和科研工作者的重视,碳材料为电极的双电层电容器已经在社会生活中得到广泛应用。一般的多孔碳材料虽具有较高比表面积和较高的理论比容量,但由于孔径太小,限制了电解质离子在其孔隙内的自由扩散,比容量和比功率性能下降。所以研究电极材料的结构特征与电解液的匹配性,对于获得优异的电化学性能,深入研究超级电容器充放电机理有非常重要的意义。本文基于上述思想,利用模板法制备孔径均一、孔径分布集中的模板碳材料,测试其在不同电解液中的电化学性能,考察电极材料的孔结构与电解质离子的匹配性。首先,以Na型Y沸石为模板,糠醇为碳源,制备了结构规则的模板碳材料。考察了工艺参数对样品结构的影响,运用氮吸附、透射电镜等测试方法对碳材料进行表征,测定了碳材料的比表面积和孔结构特征。结果表明,利用此方法制备模板碳材料的最佳条件为：沸石质量与糠醇体积比为1：1.5,碳化温度为700℃。所得模板碳材料比表面积最大为826m2/g,孔径均一且孔径主要集中在1.1-1.6nm。其次,以所得模板碳材料为电极材料,在NaOH、NaCl、Na2SO4和KOH四种电解液中,进行恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试,考察电容器的电化学性能,具体分析碳材料孔结构与电解质离子的匹配性。结果表明,当电流强度为1.0mA时,在四种电解液中,电极材料均表现出良好的电化学性能,其中电容器在NaOH电解液中的比电容最高达到129F/g,当电流不断增大时,电容器在两种碱溶液中依然能保持较高的比容量,具有良好的容量保持性能；在10mV/s高电位扫描速率条件下,电容器在KOH电解液中具有更大的电化学窗口和良好的电容特性；并且NaOH、KOH两种碱溶液的电阻比NaCl、Na2SO4的低。研究表明,对于所制备的模板碳材料,Na+、OH-由于半径较小,更有利于在其孔隙内的扩散,电容器在含该离子的电解液中的比电容更大并且内阻更小；而SO42-由于具有较大的离子半径,在材料孔隙中的迁移扩散受到限制,在含该种离子的电解液中,电容器的电容性能总体较差。综合恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试,电容器以KOH为电解质时表现出更优良的电容性能,KOH电解液与电极材料匹配性最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超级电容器简介
• 1.2 超级电容器研究进展
• 1.3 多孔碳材料的模板法制备及其作为电极材料的应用
• 1.4 多孔碳材料的表征方法
• 1.5 选题的意义及主要内容
• 2 规则结构多孔碳材料的模板法制备与表征
• 2.1 实验部分
• 2.2 结果与讨论
• 2.3 本章小结
• 3 多孔碳材料作为超级电容器电极的研究
• 3.1 实验部分
• 3.2 电化学测试结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 4 全文结论
• 参考文献
• 致谢