超级电容器电极制备工艺与纳米门炭电极材料研究

摘要

炭材料价格便宜、性能稳定、原料来源广泛,是最常用的超级电容器电极材料。电极作为超级电容器的核心部分,其制备工艺和材料自身结构很大程度上影响着电容特性。本实验主要进行了电极制备工艺研究和新型电极材料的制备与电化学性能分析两方面工作。
　　 本研究采用涂布法和轧膜法两种方式制备电极,阻抗测试表明,在铝箔上涂覆导电胶后采用轧膜法制备的电极阻抗要较涂布法的小。对两种活性炭电极材料测试表明,活性炭YP-D具有更高的孔容,且有适量中孔分布,电容特性优于活性炭PW15。电极中导电剂的添加量研究范围为2.5-10(、VD％,电极内阻随导电剂的增多而减小,导电剂的添加量2.5％时,内阻最大且容量最低；在10％时内阻最小,但比电容和功率性能都低于含量5％的电容器。粘结剂PTFE添加量范围为6-10(wt)％。含量增大,电极内阻增大,含量为8(wt)％时电容器具有较高的比电容。采用两种电解液组装超级电容器,发现使用Et4NBF4／AN电解液时电容器功率性能优于Et4NBF4／PC。以生石油焦为原料KOH为活化剂制备纳米门炭,采用氮气吹扫和双氧水氧化两种方式后处理,研究了制备工艺对其孔结构、表面性质和电容性能的影响,并讨论了储能机理。实验发现：经氮气吹扫后,纳米门炭表面氧含量减少,循环寿命增长；氧化处理则结果相反。纳米门炭可在3.5V电压下正常工作,通过首次充电过程中的“电化学活化”而得到较大比电容。900℃氮气吹扫的样品比表面为61m2／g,比电容为136.7F／g,能量密度高达58.1Wh／Kg。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 超级电容器分类

1.2.1 储能原理

1.2.2 电解液

1.2.3 制造工艺和外形结构

1.3 炭电极制备工艺

1.4 超级电容器特点

1.5 炭电极材料研究进展

1.5.1 碳的结构形式

1.5.2 活性炭(Activited Carbon,AC)

1.5.3 活性炭纤维(Activated Carbon Fiber,ACF)

1.5.4 炭气凝胶(Carbon Aerogels,CA)

1.5.5 碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)

1.5.6 纳米门炭(Nanogate carbons,NC)

1.6 超级电容器的应用

1.6.1 电动汽车

1.6.2 后备电源

1.6.3 新能源

1.7 课题的提出及主要研究内容

第二章 实验部分

2.1 原料和试剂

2.1.1 原料的来源

2.1.2 化学试剂

2.2 主要实验仪器和设备

2.3 纳米门炭的制备

2.4 结构表征手段

2.4.1 比表面积(BET)和孔结构表征

2.4.2 光电子能谱(XPS)分析

2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)表征

2.4.4 X-射线衍射(XRD)分析

2.5 炭电极的制备及电容器的组装

2.5.1 炭电极的制备

2.5.2 电容器的组装

2.6 电化学性能测试

2.6.1 交流阻抗

2.6.2 循环伏安

2.63 恒电流充放电

第三章 活性炭电极成型工艺研究

3.1 引言

3.2 交流阻抗测试

3.3 小结

第四章 电极轧膜工艺研究

4.1 引言

4.2 活性炭电极原料选取

4.2.1 炭材料形貌

4.2.2 比表面积和孔结构分析

4.2.3 交流阻抗测试

4.2.4 循环伏安测试

4.2.5 恒流充放电测试

4.3 导电剂含量研究

4.3.1 交流阻抗测试

4.3.2 循环伏安测试

4.3.3 恒流充放电测试

4.4 粘结剂含量研究

4.4.1 交流阻抗测试

4.4.2 恒流充放电测试

4.5 电解液筛选

4.5.1 交流阻抗测试

4.5.2 循环伏安测试

4.5.3 恒流充放电测试

4.6 小结

第五章 纳米门炭的制备与电容特性研究

5.1 引言

5.2 纳米门炭的制备

5.2.1 石油焦原料性质

5.2.2 炭层微结构分析

5.2.3 比表面积和孔结构分析

5.2.4 表面化学性质

5.3 电容特性分析

5.3.1 充放电曲线

5.3.2 储能机理

5.3.3 比电容与库仑效率

5.3.4 循环寿命

5.4 小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢