超级电容器用活性多孔碳材料的制备及其性能优化

摘要

超级电容器，也称电化学电容器，由于其功率密度高、充放电迅速、循环寿命长以及快速有效的电荷传播动力学等优点而受到了学术界和工业生产及应用方面的广泛关注。众所周知，超级电容器的性能优劣主要由电极材料决定，在各种碳材料、金属氧化物以及导电聚合物等不同类型的电极材料中，纳米结构的层次多孔碳被认为是超级电容器电极材料中最有应用前景的一类，这主要归功于其大的比表面积、发达的孔隙结构、优异的导电性能和电化学稳定性等特点。本文以二氧化硅作为模板，糠醇作为碳源，通过水热法制备了空心多孔碳微球，并对其进行了KOH活化处理，以扩大其比表面积，调控孔结构，研究其物理和电化学性能。为进一步优化其超级电容器性能，研究了活性空心多孔碳微球在不同电解液中的电化学行为，取得了一系列有意义的结果。此外，为了提高碳化物骨架碳材料的离子传输速度和储能特性，通过水热法对制备的碳化物骨架碳进行了氮硫杂原子共掺杂，从而增加碳材料的表面可湿性和反应活性。本论文的主要研究工作如下：
　　(1)以二氧化硅为硬模板，多种表面活性剂为软模板，糠醇为碳源，通过水热法制备空心多孔碳微球，探讨二氧化硅与碳源的不同比例对所制备碳材料的微观形貌和电化学性能的影响。进一步对形貌和性能最优的空心多孔碳微球进行KOH活化扩孔处理，研究其超级电容器性能。研究发现，当糠醇与二氧化硅质量比为1.5:1时，所得空心多孔碳微球HPCSs-2具有最大的比表面积和最优的电化学性能。KOH活化后得活性多孔空心碳微球 AHPCSs，其仍然维持了多孔空心球的分层次多级孔结构，且比表面积显著增大至1290 m2g-1，在电流密度为1 Ag-1时，AHPCSs电极的比电容高达303.9F g-1，在扫描速率为5mVs-1下，其比电容为249.6 F g-1。此外，以AHPCSs为电极材料组装成的超级电容器经5000次循环后，其比电容仍能保持在72.7 F g-1。
　　(2)为进一步优化AHPCSs的超级电容器性能，探讨了AHPCSs在不同电解液中的电化学性能，即1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体(EMIMBF4)、6 mol L-1KOH溶液、1 mol L-1LiPF6有机电解液。结果表明，所有AHPCSs超级电容器均表现出明显的电容行为，特别是以EMIMBF4为电解液的超级电容器能使充放电电压窗口扩宽至0~3.0V，在电流密度为0.5A g-1下时的比电容达到64.4F g-1；当功率密度为750 W kg-1时，其能量密度高达80.5 Wh kg-1；经过4000次循环充放电测试后，其容量保持率为94.2％，库仑效率几乎为100%。
　　(3)为了提高碳化物骨架碳材料的离子传输速度和储能特性，提出以碳化铬为原料，新制氯气为刻蚀剂，通过原位刻蚀法制备了多孔碳化铬骨架碳材料CDCs。此外，通过杂原子掺杂可有效改善碳材料的表面可湿性和电化学性能，在此基础上，以硫脲为氮源和硫源，通过水热法对制备的CDCs进行氮硫共掺杂得NSCDC。结果表明，当硫脲与CDCs的质量比为4:1时，所得NSCDC-4电极材料的电化学性能最优。当扫描速率为1mVs-1时，其比电容高达281.2F g-1，将其组装成超级电容器经6000次的循环充放电测试后，其容量保持率达到95%，显示了良好的循环稳定性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.3 超级电容器电极材料

1.4 超级电容器电解液

1.5 活性多孔碳材料的研究进展

1.6 本文的研究意义及主要研究内容

第2章 实验仪器药品以及测试方法

2.1 主要试剂和仪器

2.2 材料的物理性能表征方法

2.3 超级电容器电化学性能测试方法及原理

2.4 电极的制备和超级电容器的组装

第3章 空心多孔碳微球的制备及其超级电容器性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 空心多孔碳微球材料物理表征结果分析

3.4 空心多孔碳微球电化学性能表征分析

3.5 本章小结

第4章 活性空心多孔碳微球材料在不同电解液中的超级电容器性能研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 活性空心多孔碳微球材料物理表征结果分析

4.4 活性空心多孔碳微球超级电容器性能表征分析

4.5 本章小结

第5章 氮硫共掺杂碳化铬骨架碳材料的制备及其超级电容器性能研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 碳化铬骨架碳材料物理表征结果分析

5.4 碳化铬骨架碳材料电化学性能表征结果分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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