超级电容器用高性能碳基复合材料的研究

摘要

超级电容器是一种介于传统静电电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、能量密度高、循环使用寿命长、充放电速度快等优点，在民用和国防领域都有广泛的应用。电极材料的性能是决定超级电容器性能的主要因素，对电极材料的研究一直是该领域的研究热点。碳基电极材料因其原料丰富、价格低廉、制备工艺简单且性能优异，而倍受关注。本论文对碳基复合材料的制备及性能进行研究，研究成果主要体现在如下几个方面：
　　（1）高性能活性炭电极材料的研究
　　本论文选用来源丰富、价格低廉、固定碳含量高、灰分低的石油焦作为原料，以KOH为活化剂，采用微波辐照的方式热处理制备活性炭材料。实验表明，在石油焦粒度为200目、KOH与石油焦的比例（简称碱焦比）为3、微波活化15分钟时，通过BET测试，制备的活性炭材料具有较大比表面积，达到2683m2/g，平均孔容为1.5973cm3/g，平均吸附孔径为2.59nm；通过循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试，活性炭材料的电容特性良好，电容器电阻在0.75Ω左右，比电容量达到361F/g。
　　（2）AC（活性炭）/MnO2复合电极材料的研究
　　为了增强活性炭材料的比电容特性，采用具有法拉第准电容特性的、廉价的MnO2作为复合组分，通过新颖的原位合成的思路，采用“碳氧化转化法”，使活性炭在 KMnO4的作用下反应，原位生成 AC/MnO2复合电极材料。将制备出的复合电极材料组装成模拟超级电容器，进行电化学性能测试，研究不同活性炭与KMnO4的比例（简称炭锰比）对复合电极材料性能的影响。实验结果表明，在炭锰比为2.259时，制备出的AC/MnO2复合电极材料的性能比纯活性炭作为电极材料有较大提高，电容器电阻值也有所下降，复合材料的比电容量比活性炭提高13％左右，达到386F/g。
　　（3）新型石墨烯电极材料的研究
　　采用“氧化再还原”法，利用NaNO3、浓H2SO4和KMnO4将鳞片石墨进行氧化，再用水合肼还原氧化石墨制备出新型石墨烯电极材料，将制备出的石墨烯组装成模拟电容器，进行电化学性能测试，跟石墨和氧化石墨材料进行对比。结果显示，石墨烯的阻抗性能虽然没有石墨的优异，但是却比氧化石墨的好，且比电容量有大幅度的提高，为石墨的20倍左右，达到66.8F/g。

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第一章 绪论

1.1 超级电容器简介

1.2 超级电容器电极材料的研究进展

1.3 本课题的研究内容

第二章 实验内容及仪器设备

2.1 实验材料及仪器设备

2.2 电极材料的制备

2.3 材料性能表征

2.4 模拟超级电容器组装及性能测试

2.5 本章小结

第三章 微波法制备活性炭电极材料

3.1 实验

3.2 结果分析

3.3 本章小结

第四章 活性炭电极材料的电化学性能研究

4.1 电极制作工艺及电解液浓度对超级电容器性能的影响

4.2 微波活化时间对活性炭电化学性能的影响

4.3 不同碱焦比对活性炭性能的影响

4.4 不同粒度对活性炭性能的影响

4.5 本章小结

第五章 AC/MnO2复合电极材料的研究

5.1 AC/MnO2复合电极材料的制备

5.2 AC/MnO2复合电极材料的形貌和结构分析

5.3 AC/MnO2复合电极材料的循环伏安测试

5.4 AC/MnO2复合电极材料的恒流充放电测试

5.5 AC/MnO2复合电极材料的交流阻抗测试

5.6 本章小结

第六章 新型石墨烯电极材料的制备

6.1 石墨烯电极材料制备

6.2 氧化石墨和石墨烯的结构及形貌分析

6.3 氧化石墨和石墨烯的电化学性能测试

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 对今后工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果