超級電容器具有循環(huán)壽命長,成本低以及功率密度高的特點,在能源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。碳布作為超級電容器的基底材料,具有柔性好,機械性能好以及電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點,但是較低的比表面積和容量限制了其在超級電容器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,因此,如何提高碳布的電化學(xué)性能是目前超級電容器領(lǐng)域的研究熱點之一。在此背景之下,本文圍繞碳布的比表面積和導(dǎo)電性等問題,通過在碳布的表面復(fù)合摻氮多孔碳的方法來提高碳布和超級電容器的電化學(xué)性能。(1)在水熱條件下用疊氮化鈉對活性炭和碳布進行改性,提高其導(dǎo)電性。采用NaN_3水熱的方法對活性炭進行氮元素的摻雜,氮摻雜活性炭(NAC)的比表面積仍可以達(dá)到1903 m~2/g,表面氮元素的摻雜提高了電極材料的導(dǎo)電性,同時增加了電極材料的容量;NAC電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻R_(ct)只有2.2Ω;在1 A/g的電流密度下,電極的比容量可以達(dá)到51 F/g;對碳布依次進行擴孔和摻氮處理,制備的氮摻雜多孔碳布(NPCC)電極材料比表面積可以達(dá)到52 m~2/g;將NPCC電極材料組裝成對稱的電容器進行充放電測試,在1 mA/cm~2電流密度下,容量可以達(dá)到130mF/cm~2;通過計算,當(dāng)電容器的功率密度為0.375 W/cm~3時,能量密度可達(dá)2.03mWh/cm~3;在2.5 mA/cm~2的電流密度下,經(jīng)過30000次循環(huán)充放電后,器件的容量仍可達(dá)初始容量的95.8%,具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。(2)聚吡咯為前驅(qū)物,通過高溫碳化工藝制備的多孔碳比表面積可以達(dá)到2256 m~2/g,由多孔碳組裝的對稱超級電容器,在LiClO_4/AN電解液中進行測試,當(dāng)電壓窗口為1.25 V時,在0.5 A/g的電流密度下,電容器的容量可以達(dá)到62 F/g;當(dāng)電壓窗口為2 V時,在相同的電流密度下測試,電容器的容量增加到112.5 F/g;在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽中測試,電壓窗口可以提升到4 V。在0.5 A/g的電流密度下,電容器的容量可以達(dá)到39.25 F/g,并且能量密度有了很大的提升,可以增長到87.2 Wh/kg。(3)通過碳布表面附著摻氮的多孔碳顆粒來提高比表面積,制備的摻氮多孔碳布(NCC)電極比表面積可以達(dá)到147 m~2/g。當(dāng)電流密度為8 mA/cm~2時,電極的比容量可以達(dá)到1.2 F/cm~2;對電極進行50000次的充放電測試,材料的比容量基本上沒有衰減;將NCC電極材料作為負(fù)極,NCC電極表面沉積二氧化錳得到的復(fù)合電極材料(MNCC)作為正極組成非對稱的超級電容器。當(dāng)電流密度為3mA/cm~2時,容量可以達(dá)到350 mF/cm~2;當(dāng)功率密度為208 mW/cm~3,能量密度可以達(dá)到2.43 mWh/cm~3。采用電沉積法和氫氧化鉀擴孔法,制備氮摻雜多孔碳薄膜包覆的多孔碳布復(fù)合電極材料(PCC@NMC),多孔碳薄膜厚度為250 nm,材料的比表面積可以達(dá)到244 m~2/g;當(dāng)電流密度為8 mA/cm~2時,電極的比容量可以達(dá)到2.2 F/cm~2;將PCC@NMC電極材料作為負(fù)極,組成非對稱的超級電容器。當(dāng)電流密度為4 mA/cm~2時,器件的容量可以達(dá)到600 mF/cm~2;組裝成柔性的超級電容器可以使32個紅色led燈保持16min的高亮度狀態(tài)。(4)采用電沉積法得到多孔碳薄膜包覆的碳布(NCF),NCF的比表面積提高到84 m~2/g。然后用NaN_3水熱的方法進行二次摻氮,得到氮摻雜多孔碳布(NNCF);把NNCF電極材料制備成半電池進行電化學(xué)測試,測試的電化學(xué)窗口為0.001-3 V;在1 mA/cm~2的電流密度下進行恒流充放電測試,NNCF的首次放電容量可以達(dá)到5.1 mAh/cm~2;將表面涂覆鈷酸鋰的NNCF復(fù)合電極材料作為正極,NNCF作為負(fù)極,制備柔性的鋰離子電池,當(dāng)電流密度為0.2 mA/cm~2時,放電容量可以達(dá)到0.2mAh/cm~2;并且具備良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)制備的柔性電池彎折成不同角度測試時,容量基本保持不變,說明其具有良好的機械性能和柔性。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM53;TB33
【部分圖文】：

圖 1-1 超級電容器和其他能源器件的比較[17]器概述容器構(gòu)成又被稱為電化學(xué)電容器，是在材料電極-電解液界統(tǒng)電容器的容量只有幾個毫法拉，超級電容器的對于電池而言，超級電容器具有比較低的阻抗，電容器的充放電速度快，循環(huán)壽命高，是因為在附和脫附，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變過程。但低于電池，不能作為電池的替代物，只能通過合來，構(gòu)成一個混合的儲能系統(tǒng)。是由兩個被隔膜間隔開的電極組成，并且被電解液主要有碳材料、氧化物、導(dǎo)電聚合物及這些材料、有機和離子液體等。隔膜的主要作用是防止電

超級電容器的構(gòu)成

3圖 1-3 擴散層示意圖[19]主要通過離子的吸附和脫附來實現(xiàn)儲能。其模型在ltz 提出，闡述了在電極-電解液的界面會形成兩種電極-電解液界面細(xì)分為兩個區(qū)域：內(nèi)部的緊密層（ 1-3 所示，在緊密層，電極將離子吸附在表面；在。（dlC ）可以認(rèn)為是緊密層的電容和擴散層的電容

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2823650