【摘要】：超級(jí)電容器作為一種環(huán)保型能源設(shè)備。因?yàn)樗哂谐潆娍�、超低溫特效好、循環(huán)壽命長和功率密度大的優(yōu)點(diǎn),獲得了越來越多科學(xué)家的關(guān)注。雙電層超級(jí)電容器的儲(chǔ)能過程不會(huì)造成電極材料的膨脹或緊縮,并且其循環(huán)性能和安全性極高。該類型電容器的電極材料主要是碳基材料,憑借其研發(fā)成本低、穩(wěn)定性能優(yōu)異和導(dǎo)電性良好等優(yōu)勢(shì),成為了研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明,在碳基材料中摻入氮原子不僅可以提高碳材料的表面潤濕性;此外,雜原子還可以形成電化學(xué)活性位點(diǎn),在充放電過程中充當(dāng)可逆法拉第氧化還原反應(yīng),從而增加比電容。本課題以三聚氰胺泡沫為固定碳源和氮源,通過添加額外的葡萄糖為碳源,制備了具有發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的氮摻雜碳泡沫。(1)本文以三聚氰胺泡沫為碳源和氮源,以廉價(jià)的葡萄糖為附加碳源,采用一步碳化的方法制備了氮摻雜碳材料,并進(jìn)一步探索了葡萄糖的含量對(duì)材料的微觀形貌、孔道結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能的影響。通過三聚氰胺泡沫的碳化產(chǎn)物NCF和在三聚氰胺泡沫上負(fù)載葡萄糖后的碳化材料NCs-1:20的電化學(xué)性能對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn),在三電極體系中,當(dāng)電流密度為1 A g~(-1)時(shí),NCs-1:20材料的比容量為149.2 F g~(-1)而NCF材料的比電容為114 F g~(-1)。表明葡萄糖的存在有助于提高材料的導(dǎo)電性。通過對(duì)比葡萄糖的不同濃度可知,隨著葡萄糖濃度增加,材料的氮含量和比表面積明顯減少且電化學(xué)性能顯著降低,說明過量的葡萄糖并不利于電解質(zhì)離子的快速轉(zhuǎn)移。此外,三聚氰胺泡沫與葡萄糖質(zhì)量比為1:20時(shí),性能最優(yōu)。(2)本文基于氮摻雜碳材料的良好電化學(xué)表現(xiàn),進(jìn)一步利用KOH,通過一步碳化和活化的簡(jiǎn)便方法,制備了具有更加豐富孔道結(jié)構(gòu)和更高比表面積的氮摻雜碳泡沫,并且探索了活化溫度對(duì)材料的形貌、孔徑及其電化學(xué)性能的影響。最后可知,800℃為碳材料的最優(yōu)活化溫度。即ANCs-800電極材料具有最優(yōu)的電化學(xué)性能。在電流密度為1A g~(-1)的條件下,ANCs-800材料的比電容可以高達(dá)360 F g~(-1)而NCs-1:20只有143.7 F g~(-1)。這一結(jié)果說明,通過KOH活化有利于電化學(xué)性能的提高。在兩電極體系中,當(dāng)電流密度為0.5 A g~(-1)時(shí),最優(yōu)材料ANCs-800的比電容為387 F g~(-1),其能量密度可達(dá)24.2 W h kg~(-1)。除此之外,該材料還具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,當(dāng)材料循環(huán)充放電10,000圈后,其比容量保持率依舊高達(dá)96.3%,這充分表明該多孔氮摻雜碳材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域中巨大的應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O613.71;TM53
【圖文】：

圖 1.1 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.1 Schematic diagram of the supercapacitors.電容器的分類級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理的不同，超級(jí)電容器可以分為雙電層電容器兩種[29,30]。對(duì)于雙電層電容器來說，其電極材料主要是碳基電容器的電極材料主要包括過渡金屬氧材料、導(dǎo)電聚合物以及合材料等。如果電池性電極材料和電容性電極材料同時(shí)存在于被稱為混合電容器。電容器是根據(jù)德國物理學(xué)家 Helmoholtz 的界面雙電層理論來環(huán)保特性的新型電容器[31]。它是通過電解質(zhì)離子在電極表面定的，其過程是可逆性靜電吸附、脫附過程，期間并不會(huì)發(fā)生化學(xué)料與電解液幾乎沒有損耗，更不會(huì)使電極材料膨脹或緊縮，安較高。其工作原理如圖 1.2 所示，將正負(fù)極片插入電解液中，分解電壓的電壓時(shí)，正極片將會(huì)吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極

圖 1.2 雙電層電容器的原理圖Fig. 1.2 Schematic diagram of operating mechanism of an electric double-layer ca拉第贗電容器也是超級(jí)電容器中的一種。圖 1.3 為法拉第贗電容器，從圖中我們可以看出法拉第贗電容器是應(yīng)用離子發(fā)生氧化還原反實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的[34,35]。電容器在充電的時(shí)候，電解液中的離子就會(huì)遷移電解液的界面上，發(fā)生氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生大量的正負(fù)電荷；在放當(dāng)電路接通時(shí)，聚集在電極-溶液界面上的正負(fù)電荷就會(huì)通過逆反解液中，這樣電極上電荷的遷移就形成了外電路電流，同時(shí)完成了此可見，在贗電容器的儲(chǔ)能過程中，不僅包括雙電層存儲(chǔ)的離子電解液遷移到電極材料內(nèi)部所發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子電荷。雙電層電容器相比較，法拉第贗電容器的比容量一般比較高，大概器的 100 倍左右。但是，由于贗電容器在儲(chǔ)能過程中會(huì)發(fā)生氧化還原極材料容易損壞使得電極材料得穩(wěn)定性比較差，減少了電極材料的般地，贗電容器的電極材料主要包括過渡金屬材料和導(dǎo)電聚合物等

圖 1.3 贗電容器工作原理圖Fig. 1.3 The mechanism of pseudo-capacitor.器的應(yīng)用具有較高功率密度和較長的循環(huán)壽命等特點(diǎn)，所域，例如風(fēng)力發(fā)電、能源汽車和電網(wǎng)等[36-38]。在電容器與電池配合使用，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能還外，在使用過程中超級(jí)電容器還可以與鋰離子電有節(jié)能、環(huán)保和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，并在混合動(dòng)力的發(fā)展前景。一般來說，鋰離子電池的主要功能超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)則是為汽車啟動(dòng)以及加速過然在汽車制動(dòng)甚至慢速行駛時(shí)可幫助汽車儲(chǔ)存或者下坡的過程中，超級(jí)電容器也可快速回收車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的那些不規(guī)則動(dòng)力順利轉(zhuǎn)化車在行駛過程中比較安全和穩(wěn)定。因此，超級(jí)電

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