【摘要】：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展世界能源不斷消耗,能源成為了當(dāng)今社會最關(guān)注的主題之一。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中,一些最有效和實用的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置主要是電池、傳統(tǒng)電容器和超級電容器。而超級電容器與傳統(tǒng)電容器相比能量密度要大幾個數(shù)量級,與電池相比功率密度明顯較高且循環(huán)壽命較好。但超級電容器的性能受到很多因素的影響,主要是電極材料與電解液。在本文當(dāng)中,我們主要研究了對其性能影響最大的電極材料。生物質(zhì)作為一種有前景的可再生資源,具有來源廣泛、成本低廉和綠色可持續(xù)等優(yōu)勢,利用生物質(zhì)功能材料作為原材料是目前電極材料領(lǐng)域的研究熱點,尤其是利用木材來制作超級電容器引起了科研工作者的極大興趣。木材是一種來源廣泛、價格低廉、具有優(yōu)異力學(xué)性能的材料。它可以在惰性氣體的高溫下碳化以保持其相互連接的多通道多孔結(jié)構(gòu),這種相互連接的多通道結(jié)構(gòu)為離子提供了大的運輸表面積。在本文中,我們利用兩種孔隙大小、管胞尺寸及形狀不同的木材制備了性能優(yōu)異的超級電容器電極材料。主要研究內(nèi)容如下:(1)我們利用杉木作為原材料對物理活化時間及材料厚度進行了探究。經(jīng)過探究找到了最佳的活化時間為10 h,最佳材料厚度為0.8 mm。我們還利用硝酸和氫氧化鉀在木材管胞壁上刻蝕了一些介孔與微孔,進一步增大了電極的比表面從而增大其比電容;(2)為進一步提高電容器電化學(xué)性能,我們利用了兩種方法在木頭管胞內(nèi)填充二氧化錳贗電容物質(zhì)。二氧化錳是一種廉價的、無毒性的金屬氧化物。理論比電容可達1370 Fg-1。在上述研究基礎(chǔ)上,設(shè)置140 ℃的溫度條件,我們以楊木為負載平臺利用水熱反應(yīng)法將高錳酸鉀(KMn04)直接作為還原劑,在楊木管胞內(nèi)上載了二氧化錳(MnO2)。在濃度為10 mM L-1的條件下得到的復(fù)合電極面積比電容可達3.497 F cm-2;(3)使用水熱法電極材料可以進行大規(guī)模制備,方便進行批量生產(chǎn)。然而,利用水熱法合成復(fù)合電極,上載的二氧化錳質(zhì)量不可控。而恒電位電化學(xué)沉積可以精確控制上載的二氧化錳質(zhì)量。利用這種方法我們在杉木管胞內(nèi)合成了二氧化錳納米薄片,其可進一步增大電極材料的比表面積從而提升杉木片電化學(xué)性能。在二氧化錳負載量為110mgcm-2時,復(fù)合電極材料比電容可達到187.5Fg-1。本文利用綠色可持續(xù)生物質(zhì)碳材料,制備了一種高能量密度、功率密度以及比電容的電極材料。根據(jù)本文研究內(nèi)容,可大規(guī)模生產(chǎn)以木材為電極材料的超級電容器,進一步推動超級電容器的綠色發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM53
【圖文】：

在較高頻率下，超級電容器變?yōu)榧冸娮�，表明電解質(zhì)離子在高頻下不能逡逑滲透微孔。逡逑奈奎斯特圖（圖２．１）是描述電化學(xué)阻抗的另一個表達式。它用圖形表示阻抗逡逑的虛部Ｚ（ｆ）”，阻抗的真實部分Ｚ（ｆ）’［６（）］。根據(jù)奈奎斯特圖，電荷轉(zhuǎn)移電阻為該表逡逑達式上的半圓直徑。在高到低頻率（１０４－１Ｈｚ）中觀察到偽電荷轉(zhuǎn)移電阻與電極的逡逑多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。相反，在非常低的頻率（＜ｌＨｚ），純電容行為是阻抗圖的一個關(guān)逡逑鍵特征。理論上，純電容與奈奎斯特圖的虛軸平行［６７］。然而，在正常情況下，在逡逑繪圖線和實軸之間存在傾斜角度（４５邋ａｎｄ邋９０邋），其與理想的電容離子擴散一致（通逡逑１６逡逑

基于木材取向孔道結(jié)構(gòu)的超級電容器性能研宄逡逑３．２．４活化木片透射電鏡表征逡逑ＳＨ逡逑圖３．３邋ａ）邋ＰＷＣ的透射電鏡圖；ｂ）邋ａ的高倍圖像逡逑Ｆｉｇ邋３．３邋ａ）Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ＰＷＣ；ｂ）Ｍａｇｎｉｆｉｅｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ａ逡逑圖３．３顯示了在Ｃ０２中活化１０邋ｈ的０．８邋ｍｍ杉木片切片介孔結(jié)構(gòu)的ＴＥＭ圖逡逑像。介孔直徑在２？４０邋ｎｍ之間，可提供短電子和離子傳輸途徑。此外，壁上有大逡逑量的微孔，有利于增加材料的比表面積。逡逑３．２．５不同厚度活化木片的電化學(xué)性能分析逡逑３）邐邋６ｂ）邐邋疒邋ｃ）邐逡逑００邋＇邋Ａ邋ｈ邋—二曬邋一邋１，邋Ｚ邋＾５０；邋—２０ｍＡｃｍＪ邋，逡逑＞＂°２邐／邋／邋Ａ！邐—。．６咖邐．二邐一ｇ４０．逡逑

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本文編號：2757459