【摘要】：超級(jí)電容器作為高效的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注,具有比大多數(shù)電池更快的充放電速率以及更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,其電化學(xué)性能主要由所用的電極材料決定。目前,超級(jí)電容器應(yīng)用最廣泛的電極材料為多孔炭材料,其具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)控的形貌、廣泛的來(lái)源、簡(jiǎn)單的制備工藝、低廉的成本以及穩(wěn)定的電化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。隨著人類(lèi)對(duì)化石燃料的過(guò)度開(kāi)發(fā)和消耗,以生物質(zhì)為前驅(qū)體制備多孔炭材料受到了越來(lái)越多的關(guān)注。本論文以不同生物質(zhì)為前驅(qū)體,采用不同的活化方法制備具有特殊形貌的多孔炭材料。重點(diǎn)研究了前驅(qū)體以及制備條件對(duì)多孔炭材料的孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)狀態(tài)、導(dǎo)電性及與其理化性質(zhì)相關(guān)的電化學(xué)性能的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下:第三章,以生物質(zhì)大麻桿莖為原料,粉碎后直接與KOH混合,在NH3氣氛下活化制備了比表面積大、氮含量高、氧含量高、電導(dǎo)率高的多孔炭材料。研究發(fā)現(xiàn),NH3不僅能夠有效地增強(qiáng)KOH的活化作用,還可以作為氮源在炭材料表面引入氮元素。通過(guò)KOH和NH3的雙活化制備樣品的性能明顯優(yōu)于僅由KOH或NH3活化的樣品。雙活化樣品表現(xiàn)出高的比表面積(1949 m2 g-1)、分層級(jí)的孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率(3.5 Scm-1)和高氮含量(4.4 wt.%)。在6 MKOH電解液三電極體系中顯示出高的比容量(352 Fg-1 0.1Ag-1)以及優(yōu)異的倍率性能(即使在電流密度為30Ag-1時(shí)仍具有67%的電容保留率)。此外,組裝的對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器在離子液體(EMIMTFSI,工作電壓可以達(dá)到3.8V)電解液體系中顯示出了 99.5Wh kg-1的高能量密度;即使在21660 W kg-1的高功率密度下,其能量密度仍能保持在27.7 Wh kg-1。該裝置只需要充電4.4秒,就可以將一組紅光二極管點(diǎn)亮超過(guò)8分鐘。第四部分,以具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的大豆根為原料,利用化學(xué)活化法合成了具有三維(3D)結(jié)構(gòu)的分層級(jí)多孔炭材料。所制備的樣品具有大的比表面積(2143 m2 g-1)、3D分層級(jí)的孔結(jié)構(gòu)以及高的石墨化程度。作為超級(jí)電容器電極材料顯示了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在以6 M KOH為電解液的兩電極體系中顯示了高的比電容(276 F g-1)、出色的倍率性能、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(在5 A g-1的10000次循環(huán)后保留率為98%)以及高的能量密度(9.6 Wh kg-1)。為了進(jìn)一步提高其能量密度,以純的離子液體(EMIM BF4)為電解液組裝對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器,其電勢(shì)窗口可達(dá)3.6V,能量密度可達(dá)100.5Whkg-1。另外,即使在63000W kg-1的超高功率密度時(shí),仍然可以提供40.7 Wh kg-1的能量密度。這以結(jié)果與鎳氫電池的能量密度相當(dāng),但超級(jí)電容器可以在數(shù)秒內(nèi)完成充電或放電。在第五章中,通過(guò)對(duì)銀耳進(jìn)行高溫炭化和KOH活化,獲得了超高比表面積的多孔炭材料。系統(tǒng)地研究了 KOH用量對(duì)表面化學(xué)組成和孔結(jié)構(gòu)的影響。所制備的樣品具有超高的比表面積(3760 m2 g-1)、豐富的介孔含量以及高的表面氧含量。因此,制備樣品在水系電解液中表現(xiàn)出高的比電容、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及良好的倍率性能。此外,以純EMIM BF4為電解液組裝對(duì)稱(chēng)兩電極電容器,工作電壓可以達(dá)到3 V,最大的能量密度達(dá)到65.6 Wh kg-1,即使功率密度為19700 W kg-1時(shí),能量密度仍然保持在 28 Wh kg-1。在第六章中,以酶解木質(zhì)素為前驅(qū)體通過(guò)水熱炭化、活化的方法制備了 3D分層級(jí)多孔炭材料。在這種方法中,水熱炭化可以在材料表面產(chǎn)生大量的表面孔,而KOH活化步驟使得這些表面孔中又產(chǎn)生豐富的相互交聯(lián)大孔,并在孔壁和表面形成豐富的微孔和小介孔。制備的樣品表現(xiàn)出獨(dú)特的3D分層級(jí)孔結(jié)構(gòu)、大比表面積(1660 m2 g-1)和高導(dǎo)電性(5.4 S cm-1)。因此,該樣品在6MKOH中的三電極體系中表現(xiàn)出超高的比電容(420F g-1)、優(yōu)異的倍率性能和出色的循環(huán)穩(wěn)定性。另外,組裝的對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器在離子液體體系中顯示了 46.8 Wh kg-1的能量密度,功率密度為25400 W kg-1時(shí),其能量密度仍能保持在22.9Whkg-1。以上結(jié)果表明,以低成本、環(huán)境友好和可再生的生物質(zhì)為前驅(qū)體制備的多孔炭作為高性能超級(jí)電容器電極材料表現(xiàn)出了蓬勃的發(fā)展前景。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TM53
【圖文】：

第一章緒論量密度為４１Ｗｈｋｇ＇功率密度達(dá)到２６ｋＷｋｇ＇盡管模板法可以序，超級(jí)電容器性能優(yōu)異的有序介孔炭材料，但無(wú)論是軟模板法還顯的缺點(diǎn)。其中軟模板法制備收率較低，成本較高，可用的軟模板板法制備和調(diào)控過(guò)程復(fù)雜，并且納米模板很難均勻有效的分散在生得構(gòu)建高度有序的結(jié)構(gòu)難度較大。另外，在去除硬模板的過(guò)程中不或者強(qiáng)堿（ＨＦ，ＮａＯＨ），很難達(dá)到綠色環(huán)保的要求。逡逑物質(zhì)多孔炭作為超級(jí)電容器電極材料的研究逡逑

生物質(zhì)本身所具有的多孔結(jié)構(gòu)不僅有利于制備具有特殊形貌的多孔炭材料，還可逡逑以作為中空的結(jié)構(gòu)來(lái)負(fù)載金屬氧化物，引入贗電容，從而提高超級(jí)電容器的性能。Ｃｈｅｎ逡逑［％］等據(jù)此設(shè)計(jì)了全木結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器。如圖１－５所示，這種超級(jí)電容器基于逡逑椴木基多孔炭為陽(yáng)極、鍛木基多孔炭負(fù)載Ｍｎ０２為陰極，鍛木薄片為隔膜。全木結(jié)構(gòu)逡逑的非對(duì)稱(chēng)器件具有理想厚度（厚度僅為ｌｍｍ），低彎曲度，高電子率和離子電導(dǎo)率以逡逑及高度的穩(wěn)定性。另外充分利用椴木本身通道結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)使得非對(duì)稱(chēng)對(duì)容器具有高的面逡逑積質(zhì)量負(fù)載（陽(yáng)極高達(dá)３０ｍｇｃｍ＿２；多孔炭／ＭｎＣｈ復(fù)合陰極為７５ｍｇｃｍ＇２）。在電流密逡逑度為１邋ｍＡｃｍ—２時(shí)電容高達(dá)３．６Ｆｃｍｆ２，最高能量密度為１．６ｍＷｈｃｍ＿２（１０４４ｍＷｃｍ＿２），逡逑最大功率密度為２４邋ＷｃｎＴ２；甚至在高的負(fù)載量（７５邋ｍｇ邋ｃｎＴ２）時(shí)仍能表現(xiàn)出優(yōu)異的循逡逑環(huán)穩(wěn)定性。逡逑研究者在不改變電極材料的化學(xué)組成的情況下單獨(dú)改變電極和器件的結(jié)構(gòu)。通過(guò)逡逑利用植物本身的多孔結(jié)構(gòu)為骨架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有高度環(huán)境友好和可降解的全木結(jié)構(gòu)的逡逑超級(jí)電容器，為開(kāi)發(fā)的新理念、高性能能量存儲(chǔ)器件指明了方向。逡逑１１逡逑

本文編號(hào)：2722158