多孔炭超级电容器电极材料的制备及倍率性能研究

摘要

超级电容器是人们广泛关注的一种新型的储能器件，具有功率密度高、循环寿命长等特点。多孔炭是目前广为使用的一种超级电容器电极材料，其微观形貌、比表面积、孔隙结构、导电性以及表面化学性质等均对电化学性能有着重要的影响。目前多孔炭电极材料除了能量密度较低之外，还因其结构特点存在倍率性能较差的缺点，进而限制了材料的高功率特性。本文旨在通过改善或者优化材料的孔隙结构、导电性和微观形貌，制备具有高倍率性能的多孔炭电极材料。
　　以非离子表面活性剂P123为软模板，果糖为碳源，磷酸为磷源，耦合水热及热处理技术制备了具备多级孔结构的磷修饰碳纳米管/碳复合材料。适量的碳纳米管有利于增加复合材料的介孔和大孔孔容，并提高复合材料的导电性。与不含碳纳米管的材料相比，复合材料在10Ag-1的电流密度下电容保持率从6％提高到了78％。含磷官能团可使复合材料的操作电压提高至1.2 V，并在该电压下保持优异的循环稳定性。
　　以氧化石墨烯(GO)辅助氨基葡萄糖水热反应制备了高氮含量（10wt.％）的石墨烯/水热碳复合材料;GO可诱导氨基葡萄糖的水热中间物在其表面聚集而倾向形成片状结构。适量的石墨烯有利于水热碳复合材料的KOH活化过程，使产物具有更高的比表面积、微孔和介孔孔容，导电性也有3个数量级的显著提高。与不含石墨烯的材料相比，复合材料具有更高的比电容值(300 F g-1)以及更好的倍率性能，在8A g-1的电流密度下电容保持率由36％提高到了76％。
　　以多巴胺为碳源，利用其在碱性有氧环境下的自聚特性，在纳米碳酸钙表面聚合了超薄聚多巴胺层。经热处理聚多巴胺层可转变为超薄碳层，同时纳米碳酸钙分解产生的二氧化碳可原位活化碳层引入微孔，除去模板后可得到类石墨烯结构的二维超薄多孔碳纳米片。电化学测试结果表明超薄多孔碳纳米片具有优异的倍率性能，在高达100 A g-1的电流密度下具有71％的电容保持率。
　　以具有层状纳米空间的蒙脱土为限域模板，明胶和多巴胺为代表碳源，利用二者之间的插层反应构建了制备二维碳纳米片的通用方法，对碳纳米片进一步KOH活化处理可得多孔碳纳米片电极材料。基于明胶的多孔碳纳米片在高达100 A g-1的电流密度下比电容可达246 F g-1，电容保持率与明胶直接预炭化活化的产物相比由44％提高到82％。两电极体系下明胶基多孔碳纳米片在水系和有机系电解液中也均具有优异的倍率性能，在40 A g-1的电流密度下电容保持率分别可达83和81％。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 超级电容器

1．1 超级电容器简介

1．1．1 双电层电容器

1．1．2 赝电容电容器

1．2 炭基超级电容器电极材料

1．2．1 影响炭基电极材料电化学性能的因素

1．2．2 常见炭基电极材料

1．3 炭基超级电容器电极材料的倍率性能

1．3．1 离子和电子传输对倍率性能的影响

1．3．2 高倍率型二维炭纳米材料

1．4 本文主要研究思路与内容

2 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 表征方法

2．3．1 红外光谱

2．3．2 拉曼光谱

2．3．3 粉末X射线衍射

2．3．4 X射线光电子能谱

2．3．5 元素分析

2．3．6 扫描电子显微镜

2．3．7 透射电子显微镜

2．3．8 氮气物理吸附

2．3．9 热重分析

2．4 超级电容器组装方法

2．5 电化学测试及计算方法

2．5．1 测试体系

2．5．2 循环伏安

2．5．3 恒流充放电

2．5．4 电化学阻抗

3 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的制备及其电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的制备

3．2．2 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的表征

3．2．3 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的电化学性能测试

3．3 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的结构与性质

3．4 磷修饰碳纳米管／碳复合材料的电化学性能研究

3．4．1 碳纳米管含量对电化学性能的影响

3．4．2 热处理温度对电化学性能的影响

3．5 本章小结

4 氮掺杂石墨烯／碳复合材料的制备及其电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 氮掺杂石墨烯／碳复合材料的制备

4．2．2 氮掺杂石墨烯／碳复合材料的表征

4．2．3 氮掺杂石墨烯／碳复合材料的电化学性能测试

4．3 氮掺杂石墨烯／碳复合材料水热合成和KOH活化

4．3．1 氧化石墨烯对氨基葡萄糖水热过程的影响

4．3．2 石墨烯对碳复合物活化过程的影响

4．4 氮掺杂石墨烯／碳复合物电化学性能研究

4．5 本章小结

5 仿生表面化学法制备多孔碳纳米片及电化学性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 多孔碳纳米片的制备

5．2．2 多孔碳纳米片的表征

5．2．3 多孔碳纳米片的电化学性能测试

5．3 多孔碳纳米片的结构和性质

5．4 多孔碳纳米片的电化学性能研究

5．5 本章小结

6 层状空间限域法制备多孔碳纳米片及电化学性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 多孔碳纳米片的制备

6．2．2 多孔碳纳米片的表征

6．2．3 多孔碳纳米片的电化学测试

6．3 多孔碳纳米片的结构和性质

6．4 多孔碳纳米片的电化学性能研究

6．5 不同炭材料倍率性能比较

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介