超级电容器碳基材料的制备和电化学性能研究

论文摘要

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件,具有比传统电容器更高的能量密度及比普通电池更高的功率密度和更长的循环寿命。随着高性能的电化学超级电容器在移动通讯、信息技术、航天航空和国防科技等领域的不断应用,超级电容器越来越受到人们的关注,特别是环保汽车——电动汽车的出现,大功率的超级电容器更显示了其前所未有的应用前景,现已成为世界各国的能源研究的热点。展开这一热点,面对的就是一项研究的重点工程——超级电容器高比容电极材料的开发。本论文根据大量的资料调研,紧跟该领域的国际研究前沿,以碳材料着手,通过选择材料体系,优化电极制作工艺,研制出超级电容器用碳电极和镍/碳复合材料电极,并组装成电容器单元。将材料表征手段和电化学研究手段相结合,对其性能进行了测试,为研制超级电容器提供实验依据和理论基础。主要研究内容如下:1)通过氧化聚合方法合成聚苯胺,并将其碳化制成碳材料,考察了不同制备条件对碳材料电化学性能的影响。并用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗等测试手段比较了不同条件下制备的碳材料的电化学性能。结果表明,配比为(苯胺∶硫酸∶过硫酸铵=1∶1∶1)合成的聚苯胺在800℃氮气保护下碳化2 h的样品有具有更小的欧姆电阻、更高的比电容,在6 mol/L KOH电解液中,电流密度为0.5 A/g时,其比容量可达153 F/g。2)将800℃氮气保护下碳化聚苯胺制备的碳材料,在氧气和氮气的混合气体中活化,考察了不同温度,不同活化时间对其性能的影响。用SEM、BET、XPS和热重分析等对所合成的样品进行了表征,并用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗等测试手段比较了不同条件下活化的碳材料电化学性能。研究结果表明:通过活化,碳材料的比表面积增加了,在400℃活化2 h有更好的电化学性质,在6 mol/L KOH电解液中,电流密度为0.5 A/g时,其比电容可达235 F/g。在11 A/g的电流密度下连续充放电10000次,容量几乎没有衰减。3)利用电纺的方法制备Ni/C复合材料,考察了不同碳镍比的复合材料的电化学性质。用SEM和XRD对材料进行了表征,并用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗等测试手段比较了不同镍碳比的复合物的电化学性能。结果显示,镍碳质量比为22.4 %的复合物有更好的电化学性质,在6 mol/L KOH电解液中电流密度为0.25 A/g时,其比电容可达164 F/g,而没有镍的碳纤维其比电容只有50 F/g。我们认为材料的比电容增加是由于电容器各部分的协同作用和金属镍的电化学催化作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器简介
• 1.2.1 超级电容器的分类
• 1.2.2 超级电容器的工作原理
• 1.3 碳电极材料的研究现状
• 1.3.1 活性炭粉末
• 1.3.2 活性炭纤维
• 1.3.3 碳气凝胶
• 1.3.4 碳纳米管
• 1.3.5 纳米门碳
• 1.4 碳电极材料的制备方法
• 1.4.1 物理活化法
• 1.4.2 化学活化法
• 1.4.3 模板碳化法
• 1.4.4 混合聚合物碳化法
• 1.4.5 微波化学活化法
• 1.5 本论文的选题意义及研究内容
• 1.5.1 本课题的目的及意义
• 1.5.2 本论文的主要内容
• 第2章 实验方法及原理
• 2.1 主要原材料及仪器设备
• 2.1.1 主要化学试剂及原材料
• 2.1.2 主要试验设备仪器
• 2.2 材料的结构、形貌分析及表征
• 2.2.1 扫描电镜分析（SEM）
• 2.2.2 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.2.3 热重分析（TGA）
• 2.2.4 X 射线光电子能谱分析（XPS）
• 2.2.5 孔结构和比表面分析
• 2.3 电极的制备与电容器的组装
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 二电极实验电容器的组装
• 2.4 超级电容器电化学性能测试方法和原理
• 2.4.1 循环伏安法
• 2.4.2 恒流充放电法
• 2.4.3 交流阻抗法
• 2.4.4 循环寿命测试及原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 聚苯胺炭材料的制备及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 前驱体聚苯胺的合成
• 3.2.3 炭材料的制备
• 3.2.4 材料的物性测试
• 3.2.5 电化学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 产物的 SEM 分析
• 3.3.2 材料的比表面积和孔径分布测试
• 3.3.3 实验条件的确定
• 3.3.3.1 温度对合成材料收率和性能的影响
• 3.3.3.2 反应物物质的量变化对合成材料性能的影响
• 3.3.3.3 聚合时间对合成材料性能的影响
• 3.3.3.4 碳化温度合成材料性能的影响
• 3.3.3.5 碳化时间对材料性能的影响
• 3.3.4 产物的 XPS 分析
• 3.3.5 样品的元素分析
• 3.3.6 不同条件下制备碳材料的电容特性比较
• 3.3.6.1 循环伏安测试
• 3.3.6.2 恒流充放电测试
• 3.3.6.3 交流阻抗测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 活性炭材料的制备和性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂和仪器
• 4.2.2 材料的制备
• 4.2.3 材料的物性测试
• 4.2.4 电化学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 活化条件对材料性能的影响
• 4.3.1.1 活化温度对材料性能的影响
• 4.3.1.2 活化时间对材料性能的影响
• 4.3.2 材料的热分析
• 4.3.3 材料的形貌分析
• 4.3.4 材料的比表面积和孔径测试
• 4.3.5 材料的表面分析
• 4.3.6 材料的电化学性能测试
• 4.3.6.1 循环伏安测试
• 4.3.6.2 恒流充放电测试
• 4.3.6.3 循环寿命测试
• 4.3.6.4 交流阻抗测试
• 4.3.6.5 活化后样品的功率特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 静电纺丝法制备 Ni/C 复合材料及其电化学性能表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 材料的制备
• 5.2.2 复合物中镍/碳比的确定
• 5.2.3 材料的物性测试
• 5.2.4 电化学性能测试
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 前驱体的热分析
• 5.3.2 制备样品的扫描电镜分析
• 5.3.3 产物的 XRD 分析
• 5.3.4 电化学性能测试
• 5.3.4.1 循环伏安测试
• 5.3.4.2 恒流充放电测试
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果