發(fā)布時間：2021-01-12 20:24

　　超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型能量存儲裝置。超級電容器與傳統(tǒng)電容器相比具有高的能量密度,與電池相比其具有高的功率密度及超長壽命。碳質(zhì)材料被廣泛用于超級電容器電極材料。制備高比表面積以及發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔碳材料成為超級電容器電極材料的研究熱點(diǎn)。生物質(zhì)可再生、來源廣泛且價格低廉,是制備多孔碳材料的首選碳源。本研究以大豆秸稈為碳前驅(qū)體,制備了一系列電化學(xué)性能優(yōu)異的多孔碳材料,采用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、物理吸附儀、X-射線衍射（XRD）儀、X-射線光電子能譜（XPS）儀、拉曼光譜（Raman）儀和接觸角測定儀對多孔碳進(jìn)行表征。研究內(nèi)容和結(jié)果如下:（1）首先以硝酸鎳為催化劑對大豆秸稈進(jìn)行水熱預(yù)處理得到互連納米片,然后利用碳化、KOH活化對納米片進(jìn)行處理制備多孔互連碳納米片（PICNs）。詳細(xì)考察了水熱溫度、時長以及硝酸鎳與大豆秸稈的質(zhì)量比對PICNs電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,PICNs獨(dú)特的片狀結(jié)構(gòu)、高的比表面積以及適宜的雜原子含量保證了電解質(zhì)離子進(jìn)出電極材料的快速連續(xù)性,有利于提高碳材料的電化學(xué)表現(xiàn)。NNiSSC-400-700的比表面積和平均孔徑為2223 m... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：102 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

EDLCs工作原理

1緒論3圖1-2贗電容器工作原理Figure1-2Theworkprincipleoffaradaicpseudocapacitors1.1.2碳基電極材料超級電容器性能優(yōu)劣在一定程度上取決于電極材料。通常，具有以下特征的多孔碳材料有利于能量存儲：具有大的比表面積、合理的孔結(jié)構(gòu)、互連的導(dǎo)電框架以及出色的理化穩(wěn)定性。因此，不少研究者將研究的重難點(diǎn)放在制備具有納米結(jié)構(gòu)的多孔碳材料上，例如活性碳、碳納米管和石墨烯的制備。（1）活性碳活性碳為超級電容器最常見的電極材料，其具有高的比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)以及廣泛的來源。合成活性碳的方式有物理活化和化學(xué)活化兩種，其中物理活化是將碳前驅(qū)體在高溫下（1000oC左右）通入氣體（CO2，H2，水蒸氣等），使氣體在材料內(nèi)外表面進(jìn)出進(jìn)行造孔。而化學(xué)活化是在相對較低的溫度下（700oC左右）通過活化劑（磷酸、氯氣或氫氧化鉀等）進(jìn)行活化造孔。與物理活化相比，化學(xué)活化更加節(jié)能、方便甚至效果更優(yōu)異，因此應(yīng)用更廣泛[33-35]。為了使制備的超級電容器即具有高的功率密度也具有高的能量密度，通常要求制備的電極材料即具有EDLC也具有贗電容。最常見引入贗電容的方法就是在多孔碳材料制備過程中引入雜原子（非碳原子）。雜原子以不同的官能團(tuán)分布在多孔碳材料表面，使電極材料在充放電過程中發(fā)生法拉第反應(yīng)，產(chǎn)生贗電容[36]。但多孔碳材料表面大多是具有疏水性的，這使得在高電流密度下電解質(zhì)離子與電極材料的有效接觸面積較少，不利于導(dǎo)電性的提高，而雜原子在多孔碳材料表面形成的官能團(tuán)可以大大的改善多孔碳材料的親水性，有利于電解質(zhì)離子進(jìn)出電極材料，進(jìn)而提高材料的比電容量[37]。生物質(zhì)廢棄物是一種可持續(xù)的、可再生的富碳材料，已被廣泛用與制備各種高附加值含碳產(chǎn)品[38,39]。當(dāng)前焚燒是生物質(zhì)廢棄物的主要處理

Ａ鬋元素以及適當(dāng)?shù)娜コ@些雜原子顯得尤為重要[40]。同時生物質(zhì)廢棄物具有相對穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，可以承受一定程度的機(jī)械、生物和化學(xué)侵蝕。生物質(zhì)廢棄物在低溫碳化和高溫活化中去除易于降解的成分（所有半纖維素和大部分纖維素以及部分木質(zhì)素）后結(jié)構(gòu)將變得更加穩(wěn)定。由于去除了易于降解的成分，因此形成的多孔碳材料具有許多相互連接的孔結(jié)構(gòu)[41]。生物質(zhì)廢棄物前驅(qū)體不僅包括植物也包括動物的廢棄物，例如蟹殼、扇貝殼、蝦殼、雞蛋殼、骨頭和頭發(fā)等。林鵬[42]等人利用蟹殼為原料制備了多孔、高比表面積的3D碳材料（圖1-3），其發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)能夠保證在大電流密度下瞬間完成充放電活動。圖1-3新策略和常規(guī)方法獲得的樣品的形態(tài)觀察：（a-d）HPCs-3，（e）RH-AC和（f）CS-ACFigure1-3Morphologyobservationoftheresultantsamplesobtainedbynovelstrategyandconventionalmethod:(a-d)HPCs-3,(e)RH-ACsand(f)CS-ACs（2）碳納米管碳納米管(CNTs)是由石墨烯片卷曲后形成的納米管狀碳材料[43]。CNTs可以用來制備高比表面積、多孔甚至可拉伸的電極材料。CNTs作為電極材料使用時，需要對其表面進(jìn)行修飾以調(diào)整電極特性以及氧化還原電勢，使其能保持CNTs的導(dǎo)電性能又能夠增大CNTs的比表面積。CNTs的納米級分級多孔結(jié)構(gòu)特別有助于提高電極材料的體積容量，因此可以為微電子應(yīng)用創(chuàng)建更小的設(shè)備。CNTs可以與羥基和羧基等官能團(tuán)相連，因此它的儲能方式既可以為EDLC也可以是贗電容[44,45]。Gordana[46]等人制備了聚吡咯衍生的CNTs（圖1-4），其比電容在掃描速率為5mVs-1可達(dá)到120Fg-1。但是CNTs具有制備成本較高、容易聚集等缺點(diǎn)，不利于實(shí)際應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]超級電容器儲能機(jī)理[J]. 李春花,姚春梅,呂啟松,楊光敏.  科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊. 2016(07)
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[3]美國麻省理工學(xué)院開發(fā)新型碳納米管超級電容器[J]. 賈旭平.  電源技術(shù). 2013(06)
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