超级电容器碳复合电极材料的制备及性能研究

论文摘要

超级电容器是一种新型的储能装置,具备充放电快、效率高、稳定性好等优点,是一种清洁的绿色能源,有很大的市场潜力。本文对超级电容器电极材料进行了实验研究,探讨了多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能。本研究主要目的是制备高性能的多孔碳材料,能够使超级电容器具备稳定的性能。实验中制备了炭气凝胶、椰壳活性炭并对其改性、酚醛树脂基活性炭、石墨烯这几种碳材料,分别用于超级电容器电极材料,对电极活性物质进行红外吸收光谱、XRD、拉曼光谱、BET吸附测试、扫描电镜测试,对碳材料的结构和表面官能团表征。对超级电容器通过进行恒流充放电、循环伏安、循环性能测试来衡量其电化学性能的好坏,分析各种碳材料的结构和表面官能团的性质,结合电化学测试结果,分析结构性质对超级电容器电化学性能的影响。实验结果表明,通过溶胶凝胶法制备的炭气凝胶呈小球状,分布均匀,比表面积达到451.65m2/g,10mA时为118.06F/g,50mA时为108.64F/g,适合大电流充放电,循环性能稳定;经浓HNO3对椰壳活性炭进行改性,增加了比表面积和表面官能团,在10mA时,比电容由79.1F/g提高到了112.13F/g,增大了41.8%,性能稳定,循环寿命长;由KOH活化的酚醛树脂基活性炭在10mA时的比电容值是最大的,达到了140.26F/g;石墨烯用作超级电容器,内阻小,电流为50mA时,比电容为152.74F/g,适合大功率充放电。为改善超级电容器性能,降低成本,对碳材料复合,制备超级电容器。研究结果表明,石墨烯和酚醛树脂基活性炭复合后比容量比单纯的石墨烯有所提高,其中比例为2:1的复合材料提高了24.9%,1:2比例的复合材料提高了14%,酚醛基活性炭/石墨烯复合材料用作超级电容器可以提高超级电容器的比容量,降低了生产成本,是可行的复合方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 超级电容器的研究概况
• 1.3 超级电容器的结构和原理
• 1.4 超级电容器电极材料
• 1.4.1 活性炭材料
• 1.4.2 炭气凝胶电极材料
• 1.4.3 碳纳米管
• 1.4.4 活性炭纤维
• 1.4.5 石墨烯
• 1.4.6 金属氧化物材料
• 1.4.7 导电聚合物材料
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验材料及方法
• 2.1 实验试剂与实验仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 电极材料的制备方法
• 2.2.1 炭气凝胶的制备方法
• 2.2.2 酚醛基活性炭的制备方法
• 2.2.3 活性炭的改性方法
• 2.2.4 石墨烯的制备方法
• 2.3 超级电容器的制备方法
• 2.3.1 超级电容器电极片的制做
• 2.3.2 超级电容器的组装
• 2.4 电极材料的表征方法
• 2.4.1 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析
• 2.4.2 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.4.4 拉曼光谱（RS）分析
• 2.4.5 比表面积和孔结构测试（BET）分析
• 2.5 超级电容器的性能测试
• 2.5.1 循环伏安测试
• 2.5.2 恒流充放电测试
• 2.5.3 循环性能测试
• 第三章 超级电容器碳电极材料的制备与表征
• 3.1 炭气凝胶的制备与表征
• 3.1.1 炭气凝胶的制备方法
• 3.1.2 有机气凝胶的红外吸收光谱分析
• 3.1.3 炭气凝胶的扫描电镜分析
• 3.2 改性椰壳活性炭的制备及表征
• 3.2.1 椰壳活性炭制备方法
• 3.2.2 椰壳活性炭的改性方法
• 3.2.3 改性前后的椰壳活性炭的红外吸收光谱分析
• 3.2.4 改性前后椰壳活性炭的扫描电镜形貌分析
• 3.2.5 改性前后椰壳活性炭的XRD 谱图分析
• 3.3 酚醛树脂基活性炭的制备及表征
• 3.3.1 酚醛树脂基活性炭的制备
• 3.3.2 酚醛树脂基活性炭红外吸收光谱分析
• 3.3.3 酚醛树脂基活性炭的SEM 形貌
• 3.3.4 酚醛树脂基活性炭的XRD 图分析
• 3.4 石墨烯的制备与表征
• 3.4.1 石墨烯的制备
• 3.4.2 石墨烯的扫描电镜形貌分析
• 3.4.4 石墨烯的XRD 分析
• 3.4.5 石墨烯的拉曼光谱分析
• 3.5 三种电极材料的比表面积测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 碳材料用作超级电容器性能研究
• 4.1 炭气凝胶和椰壳活性炭用作超级电容器电化学性能
• 4.1.1 恒流充放电测试
• 4.1.2 循环伏安测试
• 4.1.3 循环性能测试
• 4.2 改性后椰壳活性炭用作超级电容器电化学性能
• 4.2.1 恒流充放电测试
• 4.2.2 循环伏安测试
• 4.2.3 循环性能测试
• 4.3 酚醛树脂基活性炭用作超级电容器电化学性能
• 4.3.1 恒流充放电测试
• 4.3.2 循环伏安测试
• 4.3.3 循环稳定性测试
• 4.4 石墨烯用作超级电容器电化学性能
• 4.4.1 恒电流充放电测试
• 4.4.2 循环伏安测试
• 4.4.3 循环性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 多孔碳复合电极材料用作超级电容器性能研究
• 5.1 炭气凝胶和椰壳活性炭直接复合用作超级电容器
• 5.1.1 恒流充放电测试
• 5.1.2 循环伏安测试
• 5.1.3 循环稳定性测试
• 5.2 有机气凝胶和椰壳活性炭复合后烧结用作超级电容器
• 5.2.1 扫描电镜形貌分析
• 5.2.2 恒流充放电测试
• 5.2.3 循环伏安测试
• 5.2.4 循环性能
• 5.3 石墨烯和酚醛树脂基活性炭复合用作超级电容器
• 5.3.1 恒流充放电测试
• 5.3.2 循环伏安测试
• 5.3.3 循环性能测试
• 5.4 石墨烯与炭气凝胶复合用作超级电容器
• 5.4.1 恒流充放电测试
• 5.4.2 循环伏安测试
• 5.4.3 循环性能
• 5.5 有机气凝胶和酚醛基活性炭复合后烧结用作超级电容器
• 5.5.1 扫描电镜形貌测试
• 5.5.2 恒流充放电测试
• 5.5.3 循环伏安测试
• 5.5.4 循环性能
• 5.6 炭气凝胶/硝酸改性椰壳活性炭用作超级电容
• 5.6.1 恒流充放电测试
• 5.6.2 循环伏安测试
• 5.6.3 循环寿命测试
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢