【摘要】：超級(jí)電容器由于具有高功率密度、快速充放電特性和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性而受到越來越多的關(guān)注。為了擴(kuò)寬超級(jí)電容器的市場(chǎng)應(yīng)用范圍,研究人員一直通過開發(fā)新穎的電極材料來提高超級(jí)電容器的能量密度。這其中,生物質(zhì)基分級(jí)多孔炭因其具有價(jià)廉易得和多尺度孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)而引起研究人員的極大興趣。然而,大多數(shù)生物質(zhì)基碳材料的親液性較差,孔隙率較低,這嚴(yán)重限制了碳基超級(jí)電容器電化學(xué)性能的提升。本文以稻殼為生物質(zhì)前驅(qū)體,利用稻殼中的二氧化硅作為模板結(jié)構(gòu),通過化學(xué)活化法制備出一系列稻殼基分級(jí)多孔炭材料,系統(tǒng)研究了單一活化劑和混合活化劑對(duì)碳材料浸潤(rùn)性、孔隙率、表面組成的影響,考察了不同親液性稻殼炭在酸性電解液中的各項(xiàng)電化學(xué)性能,并對(duì)其實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試,最后研究了超親液稻殼基多孔炭在有機(jī)電解液中的相應(yīng)電容性能,具體研究成果如下:(1)提出了一種高效的用于制備有著微/納分級(jí)結(jié)構(gòu)的超親液稻殼基多孔炭的方法。稻殼基多孔炭的制備工藝包括碳化、堿煮、化學(xué)活化,本文分別以NaOH、KOH和兩者的特定混合物為活化劑,選取NC-3、KC-3和NKC-3為代表性碳樣,進(jìn)行一系列物理表征。氮?dú)馕?脫附測(cè)試結(jié)果表明,三種碳材料中,NKC-3的比表面積最大(2747 m~2 g~(-1)),同時(shí)孔徑分布較寬,具有高度發(fā)達(dá)的孔隙率。XPS測(cè)試結(jié)果表明,相比NC-3和KC-3,NKC-3不僅具有最高的氧原子摻雜量(9.86%),而且在表面含氧官能團(tuán)中,羥基的比例也是最大的。靜態(tài)接觸角測(cè)試中,只有NKC-3與1M H_2SO_4的接觸角小于5°,達(dá)到超親液。上述結(jié)果表明共活化法制備出的稻殼基碳材料具有超親液性和高孔隙率,這為其之后的儲(chǔ)能應(yīng)用打下基礎(chǔ)。(2)探究了稻殼基多孔炭在酸性電解液中的電化學(xué)性能。分別以NC-3、KC-3和NKC-3三種碳材料為電極活性材料,1M H_2SO_4為電解液,組裝成對(duì)稱型超級(jí)電容器。循環(huán)伏安測(cè)試中,相同掃速下NKC-3的矩形積分面積最大,說明其儲(chǔ)能最多,掃速為5mV s~(-1)時(shí),NKC-3的比電容為199.4 F g~(-1)。電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果表明,NKC-3在三者中具有最小的等效串聯(lián)電阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散電阻,這得益于NKC-3的高羥基含量、高孔隙率和超親液性。恒流充放電測(cè)試中,電流密度為0.5 A g~(-1)時(shí),NKC-3的比電容為194.6 F g~(-1),遠(yuǎn)高于NC-3和KC-3,并且電流密度增加到20 A g~(-1)時(shí),NKC-3的比電容僅下降了14.1%,具有優(yōu)異的倍率特性。10000圈的恒流充放電循環(huán)后,比電容的保持率為95.6%,表現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。這些突出的電化學(xué)性能,說明NKC-3碳材料是非常有前景的高性能超級(jí)電容器電極材料。(3)研究了超親液稻殼基多孔炭在有機(jī)電解液中的電化學(xué)性能。靜態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果表明,NKC-3對(duì)1M Et_4NBF_4/PC溶液超親。以1M Et_4NBF_4/PC為有機(jī)電解液,測(cè)試兩電極體系下NKC-3基超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。循環(huán)伏安測(cè)試中,掃速?gòu)? mV s~(-1)增加到20 mV s~(-1),NKC-3的循環(huán)伏安曲線仍保持準(zhǔn)矩形的形狀,雙電層電容特性明顯。恒流充放電測(cè)試中,NKC-3在0.5 A g~(-1)電流密度下的比電容值是138.3 F g~(-1),20 A g~(-1)下仍保持88.1%,具有良好的倍率特性。10000圈恒流充放電測(cè)試后,NKC-3的比電容僅下降了11.1%,循環(huán)穩(wěn)定性突出。電化學(xué)交流阻抗表明NKC-3具有較小的電阻,能保證快速的電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)功率密度從310.5 W kg~(-1)增加到10523.1 W kg~(-1)時(shí),NKC-3的能量密度僅從29.5 W h kg~(-1)降到19.0 W h kg~(-1),能量損失較小,說明NKC-3基電容器能用于大功率儲(chǔ)能和輸出。
【圖文】：

以及全球能源損耗的加劇，人們迫切需要發(fā)代生活。這種能源設(shè)備要可持續(xù)可替代，還要為超級(jí)電容器具有較高的功率密度、較快的環(huán)壽命而受到來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大量關(guān)能量密度較低，這嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用范圍料來提高超級(jí)電容器的儲(chǔ)能性能。這其中，高的碳材料被廣泛研究[7]。因此，通過簡(jiǎn)單于超級(jí)電容器電極材料的研發(fā)是非常有意義的簡(jiǎn)介電池的設(shè)計(jì)組裝相類似。如圖 1.1 所示，超組成。超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理包括離子吸附容器分成兩種，分別是雙電層電容器和贗電

能量來源于電極/電解液界面純靜電荷的積累。對(duì)雙電層電容器來說，典型的電極材料是有著高比表面積和良好電子導(dǎo)電性的碳材料。圖1.2 在水系電解液中正電荷電極上形成的雙電層模型：（a）Helmholtz，，（b）Gouy-Chapman，（c）SternFigure 1.2 (a) Helmholtz, (b) Gouy-Chapman, and (c) Stern model of the electricaldouble-layer formed at a positively charged electrode in an aqueous electrolyte.（2）贗電容電容器贗電容電容器的儲(chǔ)能又叫贗電容，來源于電解液和電活性材料界面發(fā)生的可逆表面法拉第氧化還原反應(yīng)[9]。贗電容電容器的電極材料包括過渡金屬硫化物（如MoS2）、過渡金屬氧化物（如 Fe3O4，NiO，MnO2，Co3O4，RuO2等）和導(dǎo)電聚合物
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM53

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 江雷;;具有特殊浸潤(rùn)性的仿生智能納米界面材料[J];科學(xué)觀察;2007年05期

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1 姜翔宇;基于浸潤(rùn)性原理的一維納米材料制備及其性能研究[D];吉林大學(xué);2016年

2 劉德臣;多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的稻殼基電容炭材料的制備及其電容性能研究[D];吉林大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 沙金鑫;木質(zhì)素基脲醛樹脂的制備及應(yīng)用性能研究[D];吉林大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2614414