有机体系超级电容器用活性炭的制备与性能研究

论文摘要

超级电容器是近年来迅速发展起来的一种新型储能装置,炭电极材料是其核心与关键。本文围绕有机体系超级电容器用高性能活性炭的研究,探讨了NaOH活化果壳基活性炭的制备与电容性能,以及高温热处理对NaOH活化果壳基活性炭的结构与电化学性能的影响。以果壳为原料、NaOH为活化剂制备有机体系超级电容器用活性炭电极材料,系统考察了原料粒度、果壳种类、炭化温度和活化温度等因素对活性炭的结构与电化学性能的影响。在实验考察的范围内,原料粒度对活性炭的结构和电化学性能影响不大,果壳种类、炭化温度和活化温度的影响显著。果壳原料的含碳量相近,但由于结构的致密程度不同,其活化的难易程度有显著差异,以果壳A为原料制备的活性炭既有高的比电容又有较好的大电流倍率性能。随炭化温度升高,炭化料的结构趋于规整,活化反应难度增大,活性炭的比表面积和孔容减小,质量比电容降低,但活性炭的表观电极密度增大,作为质量比电容和电极密度综合反映的体积比电容呈现先增大后减小的趋势,适中的炭化温度（600℃）有利于兼顾高体积比电容和良好倍率性能。随活化温度升高,活化反应进行的愈加充分,产率降低,碘吸附值呈增大的趋势。小电流密度下的比电容随活化温度的升高迅速增大,但600℃后再增加活化温度材料的比电容变化不大。综合考虑产率、成本与性能等因素,活化温度以650℃为宜。以果壳A为原料,于600℃恒温炭化1h,以2：1的碱炭比在650℃恒温活化制备出比表面积1992m2/g的活性炭,其在有机电解液1mol/LEt4NBF4/PC中的质量比电容和体积比电容分别高达162F.g-1。和84F·Cm-3,远高于进口商业电容炭YP15（110F.g-1,63F·cm-3）,大电流倍率性能良好。高温热处理对活性炭的微结构、表面化学以及在有机电解液1mol.L-1Et4NBF4/PC中的电化学电容性能都有一定程度的影响。热处理后,活性炭的比表面积和孔容显著降低,表面含氧量减少,比电容略有减小,但循环性能显著改善,首次充放电效率得到提高,24h白放电率明显降低。在Ar气氛中热处理2h的活性炭具有较佳的综合性能。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超级电容器的概述
• 1.1.1 超级电容器的概念
• 1.1.2 超级电容器的原理
• 1.1.3 超级电容器的特点
• 1.1.4 超级电容器的市场前景
• 1.1.5 超级电容器的发展方向
• 1.2 超级电容器电极材料的国内外研究进展
• 1.2.1 炭材料研究进展
• 1.2.2 金属氧化物材料研究进展
• 1.2.3 导电聚合物材料研究进展
• 1.3 工作电解质
• 1.4 本课题研究的目的意义
• 1.5 本课题的主要工作
• 第二章 实验
• 2.1 实验原材料与设备
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 实验设备及仪器
• 2.2 超级电容器电极材料的制备
• 2.3 电极制作与模拟电容器组装
• 2.3.1 超级电容器电极的制作
• 2.3.2 超级电容器的组装
• 2.4 活性炭的结构表征
• 2吸附测试'>2.4.1 N₂吸附测试
• 2.4.2 碘吸附值的测定
• 2.5 超级电容器电化学性能的测试
• 2.5.1 超级电容器恒流充放电行为测试
• 2.5.2 超级电容器能量密度和功率密度
• 2.5.3 超级电容器充放电效率测试
• 2.5.4 超级电容器等效串联内阻和直流内阻测试
• 2.5.5 超级电容器的循环伏安测试
• 2.5.6 超级电容器的交流阻抗测试
• 2.5.7 超级电容器的自放电行为测试
• 2.5.8 超级电容器的循环性能测试
• 第三章 NaOH活化果壳制备有机体系电容炭
• 3.1 化学活化制备活性炭的机理
• 3.2 原料粒度对活性炭的结构与电容性能的影响
• 3.2.1 活性炭的制备与表征
• 3.2.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 3.2.2.1 充放电曲线
• 3.2.2.2 循环伏安
• 3.2.2.3 大电流性能
• 3.3 原料种类对活性炭的结构与电容性能的影响
• 3.3.1 活性炭样品的制备与表征
• 3.3.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 3.3.2.1 充放电曲线
• 3.3.2.2 循环伏安
• 3.3.2.3 交流阻抗
• 3.3.2.4 大电流性能
• 3.3.2.5 循环性能
• 3.4 炭化温度对活性炭的结构与电容性能的影响
• 3.4.1 活性炭样品的制备与表征
• 3.4.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 3.4.2.1 充放电曲线
• 3.4.2.2 循环伏安
• 3.4.2.3 交流阻抗
• 3.4.2.4 大电流性能
• 3.5 活化温度对活性炭的结构与电容性能的影响
• 3.5.1 活性炭样品的制备
• 3.5.2 活性炭样品结构表征
• 3.5.3 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 3.5.3.1 充放电曲线
• 3.5.3.2 循环伏安
• 3.5.3.3 交流阻抗
• 3.5.3.4 大电流性能
• 3.6 本章小结
• 第四章 高温热处理对活性炭在有机电解液中电容性能的影响
• 4.1 Ar气氛中热处理对活性炭的结构与电容性能的影响
• 4.1.1 活性炭样品的制备
• 4.1.2 活性炭样品结构表征
• 4.1.3 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 4.1.3.1 充放电曲线
• 4.1.3.2 循环伏安
• 4.1.3.3 交流阻抗
• 4.1.3.4 循环性能
• 4.1.3.5 自放电性能
• 2气氛中热处理对活性炭在有机电解液中电容性能的影响'>4.2 H₂气氛中热处理对活性炭在有机电解液中电容性能的影响
• 4.2.1 活性炭样品的制备
• 4.2.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能
• 4.2.2.1 充放电曲线
• 4.2.2.2 循环性能
• 4.2.2.3 自放电性能
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书