碳微米管复合材料的制备及在超级电容器中的应用

摘要

近年来，高功率密度和长循环稳定性的超级电容器得到了广泛的研究，是电动汽车和混合动力汽车等高功率电子器件所急需的新型能源技术。电极材料是超级电容器的核心，对于超级电容器的未来发展至关重要。碳材料由于其具备比表面积大、导电性好、化学稳定性好以及低成本等特点而成为超级电容器理想的电极材料。其中，碳微米管由于具有较大的管径可填充客体分子且有利于电解液离子的传输，因此是一类优良的电极材料。然而碳微米管的规模化生产是其研究和应用的主要挑战。我们课题组提出了高温碳化生物质（杨絮、柳絮、梧桐絮）法制备碳微米管，这不仅对这类空气污染物进行了资源化利用，且对规模化生产问题提供切实可行的解决方法。在此基础上，本文通过调控碳微米管的结构—活化造孔、制备三维碳碳复合材料及与金属氧化物复合等技术来进一步提高碳微米管基超级电容的能量密度及电容值，取得了较好的进展，具体成果如下：　　1.以天然生物质杨絮为原料通过一步高温碳化法制备碳微米管，然后通过氯化锌活化制备出多孔碳微米管，并研究不同的活化温度对材料结构和性能的影响。测试结果表明，得到的多孔碳微米管的比表面积可达1400 m2/g，且具有大量的微孔结构（>80 vol.％）及少量的介孔结构（<20 vol.%）。采用了两电极测试体系对材料的电容性能进行测试，并在相同条件下对商业化活性炭进行了电化学性能测试，多孔碳微米管的比电容值达206 F/g，对应的能量密度为7.5 Wh/kg，优于商业化活性炭电极（160 F/g，5.5 Wh/kg）。　　2.利用碳微米管管径较大这一特点，我们在碳微米管内外壁上负载镍纳米颗粒作为催化剂，将碳纳米管生长在碳微米管内外表面制备出三维复合碳材料。此方法利用了碳纳米管较高的电导率和较大的比表面积，减小了复合电极的内阻，作为超级电容器电极材料呈现出良好的电容特性。　　3.纯碳材料作为超级电容器的电极材料因能量密度和比电容值较小而不能满足高能量存储领域的要求。将金属氧化物与碳材料复合，利用金属氧化物具备高能量密度和电容值这一特点，被视为解决这一问题的有效途径。本章以杨絮制备的碳微米管为基底，以高锰酸钾、聚乙二醇（PEG-20000）为原料于70℃的油浴锅中反应得到碳微米管/二氧化锰复合材料。本实验中使用聚乙二醇可提高二氧化锰与碳微米管的粘附性。两电极测试体系测试结果表明得到的复合材料作为电极材料具备良好的超级电容器性能，在电流密度为1.5 A/g下的比电容值最大可达451 F/g。

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第一章 绪论

1.1超级电容器

1.2管状碳材料的制备及在超级电容器中的应用

1.3多孔碳材料的制备及在超级电容器中的应用

1.4碳材料/金属氧化物复合电极在超级电容器中的应用

1.5本论文的研究思路

第二章 天然生物质制备多孔碳微米管及其超级电容性能研究

2.1概述

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 碳微米管/碳纳米管复合材料的制备及其超级电容性能研究

3.1 概述

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第四章 碳微米管/二氧化锰复合材料的制备及其超级电容性能研究

4.1概述

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢