电化学电容器用电极材料的制备及其储电性能

论文摘要

电化学电容器作为一种新型储能器件,具有功率密度高和寿命长等特点,在通讯和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。目前,电化学电容器的研究主要集中于高性能多孔电极材料的创制及其结构与性能调变。本文分别以石油焦和煤为原料,KOH为活化剂,采用微波加热法制备活性炭。运用红外光谱、氮吸附等技术对所得活性炭进行表征。并对所得部分活性炭进行热处理或盐酸处理,以改善活性炭的性能。同时,采用化学浸渍法制备了电化学电容器用氧化钌/活性炭黑复合电极材料。最后,将活性炭基多孔电极材料加工成电化学电容器,采用循环伏安、恒流充放电及阻抗谱法研究其电化学性能。主要结论如下:1.随活化时间或碱焦比的增加,石油焦基活性炭的比表面积和总孔容均先增加后减少,对应电极的比容和电容器能量密度也呈先增加后减少的趋势。当微波功率为250 W,活化时间为35 min,碱焦比为5:1时,所得的活性炭（AC5/1）性能最佳。此条件下制得的活性炭比表面积达2312 m2g-1,总孔容为1.13 m3g-1。AC5/1电极有较好的电化学性能,在50 mA g-1放电电流密度下,1000次循环充放电后,AC5/1比容从342.8减小到246.0 F g-1,比容保持率为71.8%;AC5/1电容器的能量密度维持在7.9 Wh kg-1,其能量密度保持率为68.5%。而1073 K热处理后,AC5/1样品的比容保持率达75.1%。1000次循环充放电后,AC5/1电极上在1633 cm-1处-C=O峰强度变弱。2.利用上述优化条件制备的五种煤基活性炭属于含有一定中孔的微孔炭,中孔含量达50.0%。随着煤中挥发分含量的降低,对应活性炭的总孔容先增加后降低。所得煤基活性炭比表面积介于7481874 m2g-1之间,总孔容介于0.451.00 m3g-1之间。在50 mA g-1放电电流密度下,煤基活性炭的比容介于165.3269.3 F g-1之间。所得煤基活性炭电容器的功率密度介于0.020.25 kW kg-1之间时,对应能量密度达8.6 Wh kg-1。同样条件下,煤基活性炭的比表面积和总孔容低于石油焦基活性炭。3. 423 K热处理的氧化钌/活性炭黑复合材料中保持了氧化钌的无定形结构。复合电极材料的内阻随着氧化钌含量的增加总体上呈增加趋势,而且比容也增加。但是,氧化钌负载量较高时,复合材料中RuOx的利用率降低。当氧化钌的含量从2.3wt.%增加到9.6 wt.%时,氧化钌的比容从1255.8降低到533.7 F g-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 电化学电容器简介
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 结构及性能
• 1.2.3 发展方向
• 1.3 电极材料的种类
• 1.3.1 碳电极
• 1.3.2 金属氧化物电极
• 1.3.3 导电聚合物电极
• 1.4 电极材料的制备方法
• 1.5 电解质的种类
• 1.5.1 水系电解液
• 1.5.2 有机电解液
• 1.5.3 其他电解质
• 1.6 电化学电容器应用前景
• 1.7 立题依据和研究内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验材料和设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 活性炭的制备及表征
• 2.2.1 活性炭的制备方案
• 2.2.2 活性炭的制备过程
• 2.2.3 活性炭电极的制备
• 2.2.4 氧化钌/活性炭黑电极的制备
• 2.2.5 电化学电容器组装
• 2.2.6 样品的分析方法
• 3 石油焦基活性炭表征及其电化学性能
• 3.1 活化时间对活性炭性能的影响
• 3.1.1 活性炭的产率
• 3.1.2 表面官能团分析
• 3.1.3 活性炭孔结构分析
• 3.1.4 电极电化学性能分析
• 3.2 碱焦比对活性炭性能的影响
• 3.2.1 活性炭产率
• 3.2.2 表面官能团分析
• 3.2.3 孔结构分析
• 3.2.4 活性炭电极电化学性能分析
• 3.3 小结
• 4 煤基活性炭表征及其电化学性能
• 4.1 活性炭产率
• 4.2 表面官能团分析
• 4.3 孔结构分析
• 4.4 活性炭电极电化学性能分析
• 4.4.1 循环伏安特性
• 4.4.2 充放电性能
• 4.4.3 交流阻抗谱
• 4.5 煤基活性炭的酸处理
• 4.6 小结
• 5 氧化钌/活性炭黑复合材料表征及其电化学性能
• 5.1 氧化钌/活性炭黑的表征
• 5.2 氧化钌/活性炭黑的电化学性能
• x含量对复合电极等效串联内阻的影响'>5.2.1 RuO_x含量对复合电极等效串联内阻的影响
• x含量对复合电极比容的影响'>5.2.2 RuO_x含量对复合电极比容的影响
• 5.3 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 下一步工作
• 参考文献
• 读研期间获奖及论文
• 致谢