碳化钙骨架碳的制备及其在超级电容器中的应用研究

论文摘要

超级电容器是一种新型的能量储存装置,又称电化学电容器或双电层电容器,其容量可达到法拉级甚至数万法拉,比能量是传统电容器的20-200倍。此外还兼有功率密度大、温度范围宽（-20-60℃）、无污染、长寿命等优良特性,在介于可充电电池和传统电容器的应用领域逐渐崭露头角。由于超级电容器具有广阔的应用前景,开展超级电容器电极材料、电解液等的基础研究,在民用和国防领域均具有重要意义。本文以廉价碳化钙为前驱体,实验室自制高活性氯气为刻蚀剂,通过一步合成法制备了碳化钙骨架碳材料。用X-射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）等对制备的碳化钙骨架碳样品的物理性能进行表征。研究结果表明:碳化钙骨架碳具有纳米多孔结构,孔洞相互连通,其XRD谱图显示碳化钙骨架碳是由两个宽化的衍射峰组成,说明碳化钙骨架碳为非晶态结构。随着反应温度升高至600℃,（002）衍射峰变窄,表明骨架碳材料有部分石墨化倾向。表面积及孔径分析显示,100℃所制备的骨架碳具有较大的比表面积,其值达800 m2g-1。随着反应温度的升高,比表面积逐渐下降,所得的碳化钙骨架碳具有窄孔径分布,范围为1.4-17 nm,平均孔径与制备温度密切相关。随着制备温度从100℃升高至600℃,平均直径从1.9 nm增加至3.8 nm。将不同温度下制备的碳化钙骨架碳材料用作超级电容器的电极材料,6molL-1 KOH溶液作为电解液,组装了对称型扣式电容器,采用一系列的电化学方法研究了不同温度下制备的碳化钙骨架碳的电化学性能。结果表明:碳化钙骨架碳作为超级电容器的电极材料具有较大的比电容,400℃制备的碳化钙骨架碳单电极的比电容达174.6 Fg-1;且用骨架碳材料作电极的超级电容器具有较好的可逆性、较高的充放电效率、稳定的循环寿命,特别是用400℃制备的骨架碳材料作电极的电容器循环10000次容量衰减仅为5%。活化处理是提高碳材料性能的一个有效方法。将200℃,400℃和600℃制备的碳化钙骨架碳在70℃浓硝酸中活化处理,用红外光谱仪研究其表面含氧官能的变化,用电化学方法研究活化对碳化钙骨架碳电极性能的影响。结果显示:硝酸活化可以使骨架碳材料的表面含氧官能团含量增加,从而增加了电极材料的亲水性,与电解液的接触更加充分,使骨架碳电极的比电容有所增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 超级电容器概述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 超级电容器的特点
• 1.1.3 超级电容器的应用领域
• 1.1.4 超级电容器的市场前景
• 1.2 超级电容器的分类及基本原理
• 1.2.1 超级电容器的分类
• 1.2.2 超级电容器的基本原理
• 1.3 超级电容器电极材料研究现状
• 1.3.1 碳素材料
• 1.3.2 金属氧化物材料
• 1.3.3 导电聚合物材料
• 1.3.4 复合电极材料
• 1.4 碳化物骨架碳的研究进展
• 1.5 本论文意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题意义
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 实验方法和原理
• 2.1 引言
• 2.2 主要试剂和仪器
• 2.2.1 主要化学试剂与原材料
• 2.2.2 主要实验仪器设备
• 2.3 产品物理性能的表征
• 2.3.1 粉末红外分析
• 2.3.2 元素分析
• 2.3.3 X-射线衍射分析
• 2.3.4 扫描电镜分析
• 2.3.5 透射电镜分析
• 2.3.6 孔隙结构分析
• 2.4 超级电容器电化学性能测试方法和原理
• 2.4.1 循环伏安测试
• 2.4.2 交流阻抗测试
• 2.4.3 恒流充放电测试
• 2.4.4 漏电流测试
• 2.4.5 自放电测试
• 2.4.6 循环寿命测试
• 第3章 碳化钙骨架碳的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 CCDC的制备
• 3.2.2 材料的物性表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 CCDC形成机理分析
• 3.3.2 XRD分析
• 3.3.3 SEM分析
• 3.3.4 TEM分析
• 3.3.5 比表面积和孔结构分析
• 3.3.6 CCDC用作超级电容器电极材料的理论分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳化钙骨架碳电化学性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 单电极的制作及测试
• 4.2.2 扣式电容器的组装
• 4.2.3 实验仪器与设备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 循环伏安测试
• 4.3.2 恒流充放电测试
• 4.3.3 交流阻抗测试
• 4.3.4 漏电流测试
• 4.3.5 自放电测试
• 4.3.6 循环寿命测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 硝酸活化对碳化钙骨架碳电化学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 前驱体的准备
• 5.2.2 电极组装
• 5.2.3 扣式电容器组装
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 硝酸活化对CCDC微观结构的影响
• 5.3.2 硝酸活化对CCDC表面基团的影响
• 5.3.3 硝酸活化对CCDC元素含量的影响
• 5.3.4 硝酸活化对CCDC电化学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间公开发表的论文及成果
• 个人简历