【摘要】：超級電容器作為一種新型電化學儲能裝置,因具有功率密度大、循環(huán)壽命長以及環(huán)境友好等特性而引起廣泛關(guān)注。電極材料是決定其電容特性的關(guān)鍵因素,其中有序介孔碳材料(OMC)因孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積較大以及孔徑適中等優(yōu)點成為超級電容器電極材料的研究熱點。然而,單純的有序介孔碳應(yīng)用于超級電容器仍存在能量密度低的問題。石墨烯具有理論比表面積大、理論比容量高、導電性好,MnO2具有理論比電容高,將有序介孔碳與石墨烯、MnO2復(fù)合有望能夠利用它們各自的優(yōu)勢,提升OMC比容量的同時,彌補石墨烯自身易團聚,MnO2電導率低的缺點,達到提升超級電容器能量密度的目的。本文針對碳基超級電容器能量密度低的問題,提出了將OMC與磺化石墨烯(SG)、MnO2復(fù)合,致力于制備出一種高性能的超級電容器電極材料。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)為了提高有序介孔碳的比表面積,第二章選擇正硅酸四乙酯(TEOS)和三嵌段共聚物F127為雙模板劑,酚醛樹脂預(yù)聚體為碳源,通過溶劑揮發(fā)自組裝的方法,制備高度有序的介孔碳/二氧化硅復(fù)合材料,然后用NaOH溶液除去SiO2骨架進一步造孔得到有序介孔碳材料(OMC)。通過對比分析不同碳與SiO2比例、不同碳化溫度對材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學性能的影響,得出最佳條件。其中,在800℃下,OMC-40材料孔隙發(fā)達,比表面積高達1794.09m2/g。電化學測試結(jié)果表明,在1.0A/g的電流密度下,OMC-40電極材料的比電容量高達196.6F/g,5000次循環(huán)后比電容是初始比電容的98.9%。OMC相互連通的介孔通道有利于電解質(zhì)離子運輸,因而具有比常規(guī)高比表面積活性炭高的倍率性能,是具有儲能前景的超級電容器電極材料。(2)為了提升OMC的電導率,在第二章獲得OMC的基礎(chǔ)上,第三章選擇高導電石墨烯和有序介孔碳復(fù)合的方法制備出具有優(yōu)異電化學性能的OMC/SG復(fù)合材料。通過XRD,TEM,XPS等測試手段對OMC/SG結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明,OMC/SG復(fù)合材料具有高度有序的二維六方p6mm介觀結(jié)構(gòu),晶格尺寸和孔徑分別接近10nm和4nm�；腔┩ㄟ^共價鍵和氫鍵結(jié)合到互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,并且高度分散在OMC基質(zhì)中。OMC/SG復(fù)合材料的比表面積高達1708.78 m2/g,介孔比例高達80%。作為超級電容器電極材料,OMC/SG在1.0 A/g下的比電容高達314.2 F/g,遠高于OMC電極的196.6 F/g。此外,OMC/SG復(fù)合材料具有良好的倍率性能(在電流密度高達100 A/g時,相對于0.5 A/g電容保留率為71.9%)和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(經(jīng)過5000次循環(huán)后,比容量保留101.1%)。特別提到的是,在1 A/g時,OMC/SG的面積比容量(Cs)增加到18.4nF/cm2,遠大于碳基材料。OMC/SG復(fù)合材料互連的多孔結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)進入和快速擴散,而磺化石墨烯還可以促進電子的傳輸并提供電極與電解質(zhì)更好的界面潤濕性,由此獲得優(yōu)異的電荷儲存性能。(3)為了進一步提升OMC/SG的比容量,MnO2因為具有極高的理論比電容(1370 F/g),在OMC/SG材料表面通過與KMnO4氧化還原反應(yīng)獲得有序介孔碳/MnO2復(fù)合材料(C/MnO2),其中,高比表面積、高導電性的OMC/SG不僅作為MnO2生長的基板,而且還作為導電通道增強電化學性能。SEM、TEM、XRD結(jié)果表明,MnO2是直徑約為5nm的單斜δ-MnO2納米線,C/MnO2-110具有雙峰孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積(684.25m2/g)。與C/MnO2-0相比,由于MnO2的法拉第氧化還原反應(yīng),C/MnO2電化學性能顯著增強,其中,最佳組分C/MnO2-110在6M KOH電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能,在0.5 A/g電流密度下比電容高達756.2 F/g。以C/MnO2-110為正極和C/MnO2-0為負極組裝成非對稱超級電容器在450 W/kg的功率密度下表現(xiàn)出高達34.56 Wh/kg的能量密度,5000次循環(huán)后容量保留率仍高達87%。C/MnO2優(yōu)異的電化學性能使其在超級電容器電極材料具有巨大的潛力。
【圖文】：

命、簡單易行的工作原理以及低維護成本而受到廣泛關(guān)注［７’８１。它比電池提供更高逡逑的功率密度，比物理電容器儲存更多的能量，填補了電池與傳統(tǒng)電容器之間的空逡逑白，如圖１（ａ）所示。雖然現(xiàn)有商用超級電容器的能量密度遠遠高于傳統(tǒng)的介電電逡逑容器，但它仍然明顯低于鋰電池和燃料電池。因此，迫切需要發(fā)展高能量密度的逡逑超級電容器。逡逑１ＣＫ邐１０？’邐１邐１０邐ｌｔＦ邐１｛Ｐ逡逑ＳｐｃｃＫｉｔ邋ｅｎｅｔ0ｙ邋｜Ｗｈ邋ｋｆｌ－＇ｌ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．１各種電能存儲設(shè)備的Ｒａｇｏｎｅ圖（ａ），超級電容器的電極材料（ｂ）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｒａｇｏｎｅ邋ｐｌｏｔ邋ｏｆ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｄｅｖｉｃｅｓ邋（ａ）ｌ？１，邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋ｆｏｒ逡逑ｓｕｐｃｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ邋（ｂ）逡逑１逡逑

１．２．１超級電容器的分類逡逑在電荷存儲機制方面，，超級電容器的能量存儲／轉(zhuǎn)換過程有三種不同的方式，逡逑如圖１．２所示。第一類是電解液離子在電極材料表面進行吸附／解吸的靜電方式儲逡逑存能量，稱為雙電層電容器（ＥＤＬＣ），邋ＥＤＬＣ的比容量與電解質(zhì)離子可接近電極材逡逑料的比表面積成比例。第二類是電解質(zhì)離子和電極活性物質(zhì)發(fā)生快速可逆的法拉逡逑第反應(yīng)而儲存電荷的法拉第贗電容器。第三類是由雙電層電容器和贗電容器混合逡逑體系構(gòu)成的混合型超級電容器［９］。逡逑Ｌｏａｄ逡逑惠象畫，ｊｐｉｌ逡逑Ｐｏｓ．ｔｉｖｅ邋｜�。�；邐：＝邋ｉ：ｇ邋Ｎｅｇａｆｖｅ邋Ｅ｜ｅｃｔｒ0ｄｅ邋—邋Ｔ邋｜邐：邐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋＊邋＾邐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑—ＩＩ邋Ｓ邋Ｉ逡逑ｌ邋W ｊ邋Ｉ邐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邐｜邋ｊ邋二逡逑Ｅｌｅｃｔｒ＾Ｔ邋Ｊ邋Ｉｔｏｒｏｌｙｔｅ邐Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邐Ｅｌｅｃｔｒｏｉ＾Ｔ邋｜邋ＩＳｔｒｏｔｙｔｅ逡逑ＳｅＰａｒａｔｏｒ邐Ｓｅｐａｒａｔｏｒ邐Ｓｅｐａｒａｔｏｒ逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．２雙電層電容器（ａ），贗電容器（ｂ）和混合電容器（Ｃ）的原理示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｄｏｕｂｌｅ邋ｌａｙｅｒ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ａ），邋ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ｂ）邋ａｎｄ逡逑ｈｙｂｒｉｄ邋ｃａｐａｃｉｔｏｒ邋（ｃ）１＇０１逡逑（１）
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM53

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 余泉茂;王仁清;;石墨烯制備及其在超級電容器中的應(yīng)用研究[J];材料導報;2012年15期

本文編號：2659949