發(fā)布時間：2020-08-11 16:09

【摘要】：超級電容器作為一種環(huán)保型能源設備。因為它具有充電快、超低溫特效好、循環(huán)壽命長和功率密度大的優(yōu)點,獲得了越來越多科學家的關注。雙電層超級電容器的儲能過程不會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)異和導電性良好等優(yōu)勢,成為了研究者關注的焦點。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活性位點,在充放電過程中充當可逆法拉第氧化還原反應,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)達孔結構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,并進一步探索了葡萄糖的含量對材料的微觀形貌、孔道結構及其電化學性能的影響。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載葡萄糖后的碳化材料NCs-1:20的電化學性能對比,我們發(fā)現(xiàn),在三電極體系中,當電流密度為1 A g~(-1)時,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電性。通過對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)離子的快速轉移。此外,三聚氰胺泡沫與葡萄糖質(zhì)量比為1:20時,性能最優(yōu)。(2)本文基于氮摻雜碳材料的良好電化學表現(xiàn),進一步利用KOH,通過一步碳化和活化的簡便方法,制備了具有更加豐富孔道結構和更高比表面積的氮摻雜碳泡沫,并且探索了活化溫度對材料的形貌、孔徑及其電化學性能的影響。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360 F g~(-1)而NCs-1:20只有143.7 F g~(-1)。這一結果說明,通過KOH活化有利于電化學性能的提高。在兩電極體系中,當電流密度為0.5 A g~(-1)時,最優(yōu)材料ANCs-800的比電容為387 F g~(-1),其能量密度可達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,當材料循環(huán)充放電10,000圈后,其比容量保持率依舊高達96.3%,這充分表明該多孔氮摻雜碳材料在超級電容器領域中巨大的應用潛力。
【學位授予單位】：上海應用技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O613.71;TM53
【圖文】：

圖 1.1 超級電容器的結構示意圖Fig. 1.1 Schematic diagram of the supercapacitors.電容器的分類級電容器的儲能機理的不同，超級電容器可以分為雙電層電容器兩種[29,30]。對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存在于被稱為混合電容器。電容器是根據(jù)德國物理學家 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，期間并不會發(fā)生化學料與電解液幾乎沒有損耗，更不會使電極材料膨脹或緊縮，安較高。其工作原理如圖 1.2 所示，將正負極片插入電解液中，分解電壓的電壓時，正極片將會吸引電解質(zhì)中的負離子，負極

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用離子發(fā)生氧化還原反實現(xiàn)儲能的[34,35]。電容器在充電的時候，電解液中的離子就會遷移電解液的界面上，發(fā)生氧化還原反應并產(chǎn)生大量的正負電荷；在放當電路接通時，聚集在電極-溶液界面上的正負電荷就會通過逆反解液中，這樣電極上電荷的遷移就形成了外電路電流，同時完成了此可見，在贗電容器的儲能過程中，不僅包括雙電層存儲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，由于贗電容器在儲能過程中會發(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.器的應用具有較高功率密度和較長的循環(huán)壽命等特點，所域，例如風力發(fā)電、能源汽車和電網(wǎng)等[36-38]。在電容器與電池配合使用，這樣不僅實現(xiàn)了儲能還外，在使用過程中超級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，并在混合動力的發(fā)展前景。一般來說，鋰離子電池的主要功能超級電容器的優(yōu)勢則是為汽車啟動以及加速過然在汽車制動甚至慢速行駛時可幫助汽車儲存或者下坡的過程中，超級電容器也可快速回收車運行過程中產(chǎn)生的那些不規(guī)則動力順利轉化車在行駛過程中比較安全和穩(wěn)定。因此，超級電

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