超级电容器复合电极材料的制备和性能研究

论文摘要

超级电容器是一种新型的储能元件,由于它具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、免维护、环境友好等特点,受到国内外科学家的广泛关注。其中提高电极材料的比电容值和循环寿命,是获得更高性能超级电容器的关键因素。本论文以获得高性能的超级电容器电极材料为目标,采用电化学方法和化学方法分别制备了三种复合材料,介孔碳纳米线/聚苯胺、介孔碳/聚苯胺和石墨烯/聚苯胺,研究了三种材料的结构和形貌,并作为超级电容器电极材料对其电化学性能进行测试,主要研究内容有:（1）首先采用AAO作为模板,将F127和酚醛树脂的乙醇溶液引入到AAO的孔道中,室温下待乙醇完全蒸发后,放入烘箱中进行老化,然后在氮气保护下煅烧,进行碳化,再用盐酸将AAO模板除掉,制得介孔碳纳米线,采用SEM和TEM手段对其结构和形貌进行了表征。研究了时间对去除模板的影响,并通过SEM来观察在不同时间下模板的去除效果。（2）以介孔碳纳米线为基体,通过电化学方法制备了新型聚苯胺/介孔碳纳米线（PANI/MCFs）复合材料,采用SEM、TEM和TGA等手段对样品的结构、形貌和组成进行了表征。并将PANI/MCFs复合材料组装成三电极体系超级电容器,用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试分析。结果显示,在1.0 mol/L H2SO4溶液中,当扫描速率为50 mA/g时,复合材料的比容量达到391 F/g,与纯聚苯胺相比,其循环稳定性也得到显著提高.（3）化学法合成了介孔碳,然后将介孔碳在盐酸溶液中超声分散均匀,后利用化学法在溶液中引发新蒸苯胺单体聚合,得到介孔碳和聚苯胺的复合材料（MC/PANI）,采用XRD手段对其进行表征。将介孔碳、纯聚苯胺和聚苯胺/介孔碳复合材料分别组装成三电极体系超级电容器,用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试。结果显示,在1.0 mol/L H2SO4溶液中,介孔碳电极材料的循环稳定性最好,但比容量只有98.5 F/g,随着循环次数的增加,聚苯胺电极材料的衰减最为严重,循环1000次后比容量保持率只剩44.5%,而介孔碳/聚苯胺复合材料的比容量在电流密度为10 mA/g时达到593 F/g,其循环稳定性比单纯的聚苯胺得到明显改善,循环1000次后比容量保持率为81.3%。（4）采用优化了的Hummers法合成了石墨烯,然后将石墨烯超声分散均匀,利用化学法在溶液中引发新蒸苯胺单体聚合,得到石墨烯和聚苯胺的复合材料（GNS/PANI）,采用XRD和拉曼光谱对其进行表征。将石墨烯和复合材料分别组装成三电极体系超级电容器,用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法对其电化学性能进行了测试。结果显示,在1.0 mol/L H2SO4溶液中,相同电流密度下,石墨烯/聚苯胺复合材料的比容量要比纯石墨烯的比容量高的多,说明聚苯胺的存在大大提高了复合材料的比容量,而且复合材料中石墨烯的存在使得复合材料的循环稳定性比单纯的聚苯胺做为超级电容器电极材料时循环稳定性要好的多。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器简介
• 1.2.1 超级电容器的工作原理
• 1.2.2 超级电容器的特点
• 1.3 超级电容器的应用
• 1.4 超级电容器电极材料的研究进展
• 1.4.1 碳材料
• 1.4.2 金属氧化物材料
• 1.4.3 导电聚合物材料
• 1.4.4 复合材料
• 1.5 本论文研究的目的和内容
• 1.5.1 本论文的研究目的
• 1.5.2 本论文的研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品及仪器设备
• 2.1.1 药品及试剂
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.2 超级电容器复合电极材料的选择
• 2.2.1 材料的选择
• 2.2.2 电解液的选择
• 2.3 材料表征
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 热重分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.3.4 透射电子显微镜
• 2.3.5 拉曼光谱分析
• 2.4 复合材料电化学性能测试
• 2.4.1 超级电容器的组装
• 2.4.2 循环伏安测试
• 2.4.3 恒流充放电
• 2.4.4 交流阻抗测试
• 2.4.5 循环稳定性测试
• 第三章 聚苯胺/介孔碳纳米线复合材料的制备及其电化学性能
• 3.1 引言
• 3.2 聚苯胺/介孔碳纳米线复合材料的制备
• 3.2.1 介孔碳纳米线的制备
• 3.2.2 电解质溶液的配制
• 3.2.3 碳纳米线与聚苯胺复合电极材料的电化学合成
• 3.3 材料结构表征
• 3.3.1 时间对去除模板的影响
• 3.3.2 样品的形貌分析
• 3.3.3 样品的微观结构
• 3.3.4 热重分析（TGA）
• 3.4 复合材料电化学性能分析
• 3.4.1 循环伏安测试
• 3.4.2 恒流充放电测试
• 3.4.3 交流阻抗测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 化学法制备介孔碳与聚苯胺的复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 材料的制备
• 4.2.1 介孔碳的制备
• 4.2.2 介孔碳与聚苯胺的复合
• 4.3 X 射线衍射分析
• 4.4 电化学性能测试
• 4.4.1 循环伏安测试
• 4.4.2 恒流充放电测试
• 4.4.3 交流阻抗测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 石墨烯与聚苯胺复合材料的制备及其电化学性能
• 5.1 引言
• 5.2 材料的制备
• 5.2.1 石墨烯的制备过程
• 5.2.2 石墨烯与聚苯胺复合物的制备
• 5.3 结构表征
• 5.3.1 X 射线衍射分析
• 5.3.2 拉曼光谱分析
• 5.4 石墨烯与聚苯胺复合电极材料的电化学性能测试
• 5.4.1 循环伏安测试
• 5.4.2 恒流充放电测试
• 5.4.3 电化学阻抗测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文