碳气凝胶的微结构控制及其在双电层电容器中的应用

摘要

双电层电容器是一种介于电池和电容器之间的新型储能器件，具有容量大，充放电迅速，电压记忆功能强等特点，可以被用作各种辅助电源和电动设备的发动电源。目前国外对这方面已进行了大量研究，已有产品化的设备出现，而国内的研究刚刚起步，因此开展这方面的研究工作具有深远的意义。碳气凝胶是一种新型纳米多孔导电材料，具有比表面积大(400～1100m2/g)、导电性能良好(～30S/cm)，因而是一种新型的双电层电容器的电极材料。本文采用碳气凝胶为电极材料制作了双电层电容器的模型器件。本课题得到上海市教委重点基金项目的资助。以间苯二酚和甲醛为原料，采用溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺处理制备有机气凝胶，经适当的碳化工艺处理得到碳气凝胶。TEM测试结果表明：通过控制溶胶-凝胶过程中水的量和催化剂的浓度，可以获得不同微结构的碳气凝胶。溶剂水的量可调节有机气凝胶和碳气凝胶的网络结构的疏密程度，催化剂浓度的高低控制着气凝胶的结构，当催化剂浓度较高时(如R/C=50)，生成的有机气凝胶和碳气凝胶的微结构呈“聚合物状”，当催化剂浓度较低时(如R/C=200、300)，生成的有机气凝胶和碳气凝胶的结构呈“胶体颗粒状”； BET测试结果表明，有机气凝胶碳化后比表面积有所增加，不同碳化温度下的碳气凝胶的比表面积也不同，600℃碳化处理下制备的碳气凝胶的比表面积较大；相同配比浓度下，不同催化剂浓度的有机气凝胶和碳气凝胶的比表面积也不一样，“聚合物状”结构的气凝胶的比表面积相对比“胶体颗粒状”气凝胶的比表面积大。拉曼散射、X射线衍射、电子衍射等手段测试结果表明：碳气凝胶颗粒内部存在有石墨化丝状物，由碳化温度的高低决定。低温下测试了碳气凝胶的电导率，验证了其低温输运机制为费米能级附近的变程跳跃电导机制，常温下其电导率的大小主要由其密度的大小决定；电化学性能测试结果表明碳气凝胶具有稳定的电化学性能，是液体双电层电容器的优良电极材料。双电层电容器的基本特征是容量大、内阻较小，选择合适的电极材料是个关键。结合微结构测试和电导率测试结果，选择R/C=50、密度p～60Omg/cm3的碳气凝胶作电极材料，H2SO4电解液制作液体双电层电容器的模型器件，测得其比容量～25F/g，内阻约1Ω；为提高双电层电容器的工作电压，采用串联电容的方法，获得了充放电容量分别约25F和17F，内阻约1.95Ω的两个电容器串联的模型器件。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1碳气凝胶的物性研究

§1.1有机气凝胶简介

§1.2碳气凝胶简介

§1.3碳气凝胶的应用

§2双电层电容器的研制情况简介

§2.1双电层电容器的市场情况

§2.2双电层电容器的研制情况及目前存在的问题

§3本文的工作及特点

第二章碳气凝胶的制备与微结构控制

§1前言

§2碳气凝胶的制备工艺及其性能测试

§2.1溶胶-凝胶反应及其控制参数

§2.2超临界干燥过程

§2.3有机气凝胶的微结构及成分测试

§2.4碳气凝胶的微结构测试

§3讨论

§4结论

第三章碳气凝胶的比表面积和孔径分布

§1前言

§2比表面积和孔径分布测试原理介绍

§2.1比表面积测试原理介绍

§2.2孔径分布测试的原理

§3碳气凝胶的比表面积和孔径分布测试

§3.1 R/C及配比农度对有机气凝胶和碳气凝胶的比表面积的影响

§3.2不同碳化温度对碳气凝胶的比表面积和孔径分布的影响

§4结论

第四章碳气凝胶的电输运特性

§1前言

§2非晶态半导体中的输运理论

§2.1非晶态半导体的电子态结构

§2.2非晶态半导体中载流子的输运性质

§2.3非晶态半导体中霍耳效应理论

§3碳气凝胶的电输运性能测试及讨论

§3.1测试方法与测试装置

§3.2碳气凝胶的电输运测试结果和讨论

§3.3碳气凝胶的霍耳效应测试结果和讨论

§4结论

第五章碳气凝胶的电化学性能

§1前言

§2循环伏安测试的原理和装置

§2.1测试原理

§3碳气凝胶的电化学测试和讨论

§4结论

第六章碳气凝胶作电极的双电层电容器

§1前言

§2双电层电容器的工作原理

§3碳气凝胶作电极制作双电层电容器

§4双电层电容器的性能参数的测试

§4.1单个双电层电容器的性能参数测试

§4.2串联双电层电容器的性能参数测试

§5讨论

§6结论

第七章结论与展望

§1结论

§2进一步工作展望

参考文献

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