三维多孔碳纳米片的硬模板法制备及超级电容器应用

摘要

相比于传统化学电源，超级电容器具有超高的循环稳定性、超快的充放电速率，再加上其远大于传统电容的比容量，使其成为新能源时代的宠儿。碳材料作为超级电容器用电极材料已实现了商业化应用。但是，由于电容量、能量密度以及制备成本的限制，碳基拆机电容器的规模化应用受到了制约。因此，低成本地制备出导电性好、比表面积大的高性能电容器碳电极材料备的研究受关注。在诸多碳材料中，多孔碳作为一种低成本、高比表面积、孔结构发达的碳材料一直为研究人员所追捧。为了制备出高比表面积与高电导率兼顾、发达的孔结构与高石墨化程度并存的碳材料，MgO硬模版法不失为一种很好的选择。但是，目前采用该方法制备的多孔碳的性能还有待进一步的提升。因此，对硬模板制备方法的优化、相关机理的揭示以及所制备碳材料的特性及超级电容器应用的研究具有重要的科学意义和研究价值。
　　本论文提出采用尿素作为碳源，基于MgO的单模板法以及基于MgO和ZnO的双模板法制备片层结构的多孔碳，进而深入研究碳材料的生长特性、电化学性能及其在超级电容器中的应用，并探讨了相关机制。论文的主要研究内容包括：
　　（1）以金属镁作为还原剂在高温下制备碳材料，反应生成的MgO原子基团不仅催化制备高石墨化的片层结构多孔碳，还作为模版填充到碳材料中。后处理除去MgO模版后成功制备出多孔结构的碳纳米片。基于KOH电解液，该碳材料最大质量比电容可达169.3 F/g。
　　（2）在原单模版的基础上添加ZnO作为辅助模版，以双模板法制备碳材料并研究其特性及其在超级电容器中的应用。去除模版后，所得碳材料的比表面积显著提升，达到了765 m2/g，基于KOH电解液的电容值在1 A/g时提高到了320 F/g，能量密度达5.4 Wh/kg。
　　（3）为进一步提升电容器器件的能量密度，引入1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为电解液组装二电极体系，并研究了其在高温下的电容器应用特性。室温下,该电容器在功率密度1500 W/kg条件下的的能量密度最高可达33 Wh/kg，是基于KOH电解液电容器的6倍。而当温度升高到180℃时，在功率密度为1500 W/kg时，能量密度更是达到了87 Wh/kg。在能量密度几乎接近于锂电池性能的条件下，其功率密度远高于锂电池，预示了基于该碳材料的超级电容器在高温器件领域将有重要的应用前景。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2超级电容器电极材料的研究现状及分析

1.3 研究现状分析

1.4 主要研究内容

第2章 三维多孔碳的单模板法制备及特性研究

2.1 引言

2.2材料制备及测试方法

2.3材料的性能表征

2.4材料的电化学性能测试

2.5 本章小结

第3章 三维多孔碳的双模板法制备及其超级电容器应用

3.1 引言

3.2材料制备及测试方法

3.3三电极法测试材料的电化学性能

3.4 二电极法测试材料的电化学性能

3.5 本章小结

第4章 基于EMIMBF4电解液的多孔碳的超级电容器应用特性

4.1 引言

4.2常温下材料的电容性能

4.3高温下材料的电化学性能

4.4器件实际应用试验

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢