超级电容器用含氮纳米碳纤维膜电极的研究

论文摘要

本文用三聚氰胺甲醛树脂（MF）和聚乙烯醇（PVA）水溶液通过静电纺丝法制备了聚合物纤维膜,经过高温碳化得到柔韧且独立自撑的含氮碳纤维膜。使用该材料在不加粘结剂的情况下直接制备电极,进而直接组装成超级电容器。使用扫描电镜（SEM）.X射线光电子能谱（XPS）、热失重（TG）、氮气吸脱附测试等方法对材料进行表征分析。采用循环伏安、恒流充放电及交流阻抗方法对材料及其超级电容器进行电化学性能测试。通过正交试验法优化高压静电纺丝工艺对含氮碳纤维膜比电容值的影响进行了考察。结果表明：制备的含氮碳纤维膜呈现出相互搭接的纤维网络结构,纤维直径大约集中在200mm～500 nm。最佳的静电纺丝工艺条件为：MF与PVA水溶液的体积比为3：1,纺丝距离25 cm,流速0.8 mL/h,电压为25 KV,该条件制备的电极材料,循环伏安法在0.001 V/s下测其比电容值（Cp-cv）达到152F/g,含氮碳纤维膜中氮含量随着纺丝液中MF的含量增加而增加。基于最优静电纺丝条件,进一步研究了不同碳化温度对材料的影响,结果表明：随着碳化温度的增加,含氮碳纤维膜的氮含量从7.02 at.%减小到1.81 at.%,含氮碳纤维膜的石墨化碳含量增加,有利于其导电性的提高。在最优的碳化条件700℃下获得的材料的Cp-cv达192 F/g。由于含氮碳纤维膜具有比含氮碳粉末具有更好的导电性,且含有较多的提供赝电容的氮原子,使其具有更高的比电容值。同时,含氮碳纤维膜及其组装的超级电容器具有良好的电化学性能和循环稳定性。考察了柠檬酸镁含量和碳化温度对多孔含氮碳纤维膜的影响。随着柠檬酸镁含量增加,多孔含氮碳纤维膜的纤维直径增加,比电容值增大。随着碳化温度的增加,氮含量减少,含氮碳纤维膜的石墨化碳含量增加,有利于其导电性的提高。与含氮碳纤维膜相比,多孔含氮碳纤维膜的比表面积和孔容明显变大,且中孔含量更多,比电容值更高。柠檬酸镁含量为5wt%且在700℃条件下碳化时获得的多孔含氮碳纤维膜,循环伏安法在0.001 V/s下测得Cp-cv达208.3 F/g,其组装的超级电容器在5 mA/cm2条件下的比电容值为38.60 F/g,该超级电容器经过1000次循环后比电容值保持率为91%。制备的多孔含氮碳纤维膜是比较理想的电极材料。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超级电容器发展概述
• 1.1.1 超级电容器工作原理
• 1.1.2 超级电容器国内外研究进展
• 1.1.3 超级电容器应用前景
• 1.2 超级电容器碳基电极材料概述
• 1.2.1 活性碳
• 1.2.2 碳气凝胶
• 1.2.3 碳纳米管
• 1.2.4 石墨烯
• 1.2.5 碳纤维
• 1.2.6 含氮碳材料
• 1.3 高压静电纺丝概述
• 1.3.1 高压静电纺丝技术的基本原理
• 1.3.2 高压静电纺丝技术的影响因素
• 1.3.3 高压静电纺丝技术的应用
• 1.4 课题研究的意义
• 1.5 本论文主要工作
• 1.6 本课题来源
• 第2章 实验部分
• 2.1 试验用原料及仪器
• 2.1.1 主要化学试剂及材料
• 2.1.2 主要仪器及设备
• 2.2 含氮碳粉末电极材料的制备
• 2.2.1 聚合物溶液的配制
• 2.2.2 含氮碳粉末的制备
• 2.3 含氮碳纤维膜电极材料的制备
• 2.3.1 高压静电纺丝溶液的配制
• 2.3.2 高压静电纺丝法制备聚合物纤维膜
• 2.3.3 含氮碳纤维膜的制备
• 2.4 多孔含氮碳纤维膜电极材料的制备
• 2.4.1 高压静电纺丝溶液的配制
• 2.4.2 高压静电纺丝法制备聚合物纤维膜
• 2.4.3 多孔含氮碳纤维膜的制备
• 2.5 电极片的制备及超级电容器的组装
• 2.5.1 集流体的制备
• 2.5.2 电极片的制备
• 2.5.3 超级电容器的组装
• 2.6 结构表征与性能测试
• 2.6.1 扫描电镜测试
• 2.6.2 X射线光电子能谱测试
• 2.6.3 比表面积和孔径分布测试
• 2.6.4 热失重测试
• 2.6.5 拉曼光谱测试
• 2.6.6 循环伏安测试
• 2.6.7 恒流充放电测试
• 2.6.8 交流阻抗测试
• 2.6.9 循环寿命测试
• 第3章 含氮碳电极材料的结果与讨论
• 3.1 含氮碳粉末电极材料的结果与讨论
• 3.1.1 含氮碳粉末电极材料表面微观形貌分析
• 3.1.2 含氮碳粉末电极材料的循环伏安性能
• 3.1.3 超级电容器的恒流充放电性能
• 3.2 含氮碳纤维膜电极材料的结果与讨论
• 3.2.1 含氮碳纤维膜电极材料的电子照片
• 3.2.2 高压静电纺丝工艺对含氮碳纤维膜的影响
• 3.2.3 碳化工艺对含氮碳纤维膜的影响
• 3.3 热失重分析
• 3.4 含氮碳纤维膜电极材料导电性能分析
• 3.5 含氮碳纤维膜的超级电容器恒流充放电性能分析
• 3.6 循环寿命分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 多孔含氮碳纤维膜电极材料的结果与讨论
• 4.1 柠檬酸镁含量对多孔含氮碳纤维膜的影响
• 4.1.1 含氮碳纤维膜电极材料的电子照片
• 4.1.2 柠檬酸镁含量对多孔含氮碳纤维膜微观形貌的影响
• 4.1.3 柠檬酸镁的含量对多孔含氮碳纤维膜循环伏安性能的影响
• 4.2 碳化工艺对多孔含氮碳纤维膜的影响
• 4.2.1 不同碳化温度下获得的多孔含氮碳纤维膜循环伏安性能分析
• 4.2.2 不同碳化温度下获得的多孔含氮碳纤维膜XPS测试分析
• 4.2.3 不同碳化温度下获得的多孔含氮碳纤维膜拉曼光谱测试分析
• 4.3 柠檬酸镁对多孔含氮碳纤维膜比表面积和孔径分布的影响
• 4.4 热失重分析
• 4.5 多孔含氮碳纤维膜电极材料导电性能分析
• 4.6 多孔含氮碳纤维膜的超级电容器恒流充放电性能分析
• 4.7 循环寿命分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文