超级电容器中孔炭电极材料的制备及性能研究

论文摘要

高性能中孔炭电极材料是提高有机电解液体系超级电容器性能的关键。本文采用不同的制备方法，通过调整活化剂（或模板剂）与炭源的质量比制得一系列具有不同孔结构的高性能中孔炭电极材料，研究了其结构与性能之间的关系。 首次采用均能溶于水的葡萄糖和ZnCl2为炭源和活化剂，实现两者分子级的均匀混和。采用基于“两段烧结”的化学活化法制得一系列具有不同孔结构、孔径分布窄、最大比表面积和最大比电容分别为1539m2·g-1和95.8F·g-1的高性能中孔炭材料。所制得的多孔炭含有三个物相：乱层结构的炭、石墨以及面心立方炭。提出并证实了“分组线性拟合法”在求多孔炭有效比表面积及表面积比电容上的合理性。求得多孔炭在1M Et4NBF4|PC电解液中形成双电层的有效最小孔径为2.0nm。中孔发达炭材料的倍率性能良好。 为了研究具有更大孔径炭材料孔结构与电性能的关系，以硅溶胶为模板，葡萄糖为炭源，以不同的硅溶胶／炭源比制备了一系列具有不同孔结构，最大比表面积和最大比电容分别为883m2·g-1和74.7F·g-1的中孔炭材料。结果表明，孔径太大的中孔炭倍率性能下降，为获得良好的倍率性能孔径以不超过6.0nm为佳。采用模板法和化学活化法相结合的改性模板法来调控中孔炭的结构，制得比表面积和比电容分别为1178m2·g-1和111.8F·g-1的中孔炭SZMC，其在大电流下的放电比电容高于SMC-4的。 采用微湿含浸法制得有序中孔炭并研究了其在1M Et4NBF4|PC中的电化学行为。以有序中孔硅SBA-15为模板剂，糠醇为炭源，通过加入不同量的糠醇制得一系列具有不同孔结构的有序中孔炭。同时采用Al-SBA-15为模板剂制得具有CMK-5结构的AlSC-0.8。电化学性能测试结果表明，AlSC-0.8比电容最大，达87.8F·g-1。倍率性能测试结果表明，具有CMK-3结构的SC-2.0的倍率性能最好，在大电流密度下充放电的放电比电容接近AlSC-0.8有序中孔炭的水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器简介
• 1.3 炭基超级电容器
• 1.3.1 炭基超级电容器的工作原理
• 1.3.2 炭基超级电容器炭电极材料的分类
• 1.3.3 炭基超级电容器电解液研究进展
• 1.4 中孔炭材料的制备技术及其应用
• 1.4.1 中孔炭材料的制备技术
• 1.4.2 中孔炭材料的结构与其性能之间的关系
• 1.4.3 中孔炭材料在超级电容器中的应用
• 1.5 准电容超级电容器
• 1.5.1 金属氧化物氧化还原准电容
• 1.5.2 导电聚合物氧化还原准电容
• 1.5.3 混合超级电容器
• 1.6 超级电容器的应用
• 1.7 本文的选题思想和研究内容
• 第二章 实验仪器及材料表征方法
• 2.1 引言
• 2.2 制备实验设备
• 2.3 材料结构表征和物理性能测试
• 2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.3 X射线衍射（XRD）
• 2.3.4 灰份的测定
• 2.3.5 炭材料吸附等温线的测定以及孔结构参数的计算
• 2.3.6 炭材料电导率的测试
• 2.4 材料电化学性能测试
• 2.4.1 炭电极的制作
• 2.4.2 超级电容器的组装
• 2.4.3 计时电位法
• 2.4.4 循环伏安法
• 2.4.5 电化学阻抗谱法
• 2.4.6 漏电流测试
• 第三章 化学活化法制备中孔炭
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 材料表征结果及分析
• 3.3.1 孔结构分析
• 3.3.2 XRD分析
• 3.3.3 灰份分析
• 3.3.4 SEM分析
• 3.3.5 电化学性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 硅溶胶模板法制备中孔炭
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 材料表征结果及分析
• 4.3.1 孔结构分析
• 4.3.2 XRD分析
• 4.3.3 灰份分析
• 4.3.4 SEM分析
• 4.3.5 电化学性能分析
• 4.4 模板法的改进
• 4.5 本章小结
• 第五章 微湿含浸法制备有序中孔炭
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 材料制备
• 5.2.2 材料的表征
• 5.3 材料表征结果及分析
• 5.3.1 孔结构分析
• 5.3.2 小角XRD分析
• 5.3.3 广角XRD分析
• 5.3.4 灰份分析
• 5.3.5 SEM及TEM分析
• 5.3.6 电化学性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的文章
• 致谢
• 作者简历
• 附件:学位论文独创性声明