超级电容器用中孔炭和中孔炭复合材料的制备及性能研究

摘要

超级电容器(又称电化学电容器)是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件,它具有比传统电容器更高的比能量,比电池更高的比功率。电极材料是决定电化学电容器性能的主要因素,因此电极材料的研究一直是该领域学术界和工业界的研究热点。本课题用模板法合成了中孔炭材料,并研究了其物理性能和电化学性能。在此基础上,研究了硝酸活化处理的中孔炭及聚苯胺/中孔炭复合材料的物理性能和电化学性能。
　　以SBA-15为模板,蔗糖为炭源,在不同的炭化温度下合成了不同比表面积的中孔炭材料。利用傅立叶变换红外光谱(FT-IR),小角X-射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),N2吸脱附等温线及循环伏安测试等技术探讨了不同炭化温度对中孔炭形貌、比表面积、孔体积及比电容的影响。结果表明:最佳炭化温度为700℃,该材料孔结构呈二维六角有序分布,孔体积为1.88 cm3·g-1,比表面积为1394 m2·g-1,具有典型的中孔结构和集中的中孔分布,它的最可几孔径为3.4 nm。中孔炭电极在不同的扫描速度下都具有良好的电化学性能;当扫描速度为1 mV·s-1时,700℃炭电极的比电容高达212 F·g-1;且以中孔炭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700℃制备的中孔炭电容器循环10000次容量波动范围仅为±4％。
　　活化处理是提高碳材料性能的有效方法,将700℃制备的中孔炭在浓硝酸中活化处理,用红外光谱研究其表面含氧官能团的变化,用电化学方法研究活化对中孔炭电极性能的影响。结果表明:硝酸活化使得中孔炭的比表面积略有下降,同时表面含氧官能团增加,增大了电极材料的亲水性,有利于电解质离子的吸附和双电层的形成,因此,通过活化处理使中孔炭的电化学性能明显提高,比电容从212 F·g-1增加到240 F·g-1。
　　用化学聚合法制备了聚苯胺/中孔炭复合电极材料。用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了复合材料的形貌,结果表明聚苯胺均匀地沉积在中孔炭的表面及孔道内部。用循环伏安、恒流充放电等测试研究了复合电极的电化学性能,结果表明复合电极的电化学性能较中孔炭电极有明显的改善,恒流充放电测得中孔电容器的比电容为49 F·g-1,而聚苯胺/中孔炭电容器的比电容为101 F·g-1,功率密度和能量密度分别为2.5 kW·kg-1和50.25 Wh·kg-1。

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第1章 引 言

1.1 超级电容器概述

1.2 中孔炭的制备技术及其应用

1.3 本课题意义及主要研究内容

第2章 实验方法和原理

2.1 引言

2.2 主要仪器和试剂

2.3 产品物理性能的表征

2.4 超级电容器电化学性能测试方法和原理

第3章 模板法中孔炭的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 材料的制备及其电化学性能测试

3.3 材料的物性

3.4 电化学性能

3.5 本章小结

第4章 活化处理对中孔炭电化学性能的影响

4.1 引言

4.2 主要试剂

4.3 材料的制备及其电化学性能测试

4.4 材料的物性表征

4.5 电化学性能

4.6 本章小结

第5章 中孔炭/聚苯胺复合材料的制备

及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 材料的制备及其电化学性能测试

5.3 材料的物性表征

5.4 电化学性能

5.5 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