【摘要】：能源問題是讓全世界都為之關(guān)心的一個主題,世界的發(fā)展和經(jīng)濟的全球化、現(xiàn)代化,離不開化石能源,如石油、天然氣、煤碳的廣泛應(yīng)用。全世界對工業(yè)化速度的追求,導致了能源的消耗速度也大大加快,全球能源危機問題將會日益突出。此外,化石燃料的使用導致了環(huán)境問題日趨嚴重。能源危機和環(huán)境問題對人類社會的發(fā)展構(gòu)成直接威脅。因此,發(fā)展可持續(xù)的清潔能源和研究先進能源存儲技術(shù)已成為一個非常緊迫的問題,超級電容器的出現(xiàn)為可持續(xù)發(fā)展提供了可能。超級電容器的能量密度不僅要比傳統(tǒng)電容器大幾個數(shù)量級的,同時超級電容器具有更高的功率密度和更好的循環(huán)性能。超級電容器的一些組成部分,如電極、基底材料、電解液等,對超級電容器的性能起到至關(guān)重要的作用。近年來,以生物質(zhì)為碳源,是電極材料領(lǐng)域的一個研究熱點。同時,為了制作柔性超級電容器,基底材料的選擇也被越來越多的科研工作者所研究。本文以超級電容器為研究對象,通過對超級電容器組成部分材料的研究,以生物質(zhì)材料用作超級電容器的電極材料和基底材料,并測量其電化學性能,與非生物質(zhì)材料所制成的超級電容器進行對比和研究。1.以竹纖維為原料,通過高溫碳化活化,得到竹碳纖維。獲得的竹碳纖維與高錳酸鉀一起進行原位水熱合成反應(yīng),研究純竹碳纖維材料和Mn02/竹碳纖維復合材料的電化學性能。研究發(fā)現(xiàn)純竹碳纖維具有良好的導電性能,在5000次循環(huán)后電容量是原來的97.6%。通過將竹碳纖維與MnO2復合之后,復合材料的質(zhì)量比容得到了提高,在MnO2占比為24%時,復合電極材料的質(zhì)量比容為152 F g-1,遠遠大于純竹碳纖維電極材料的質(zhì)量比容。但是復合電極材料中的Mn02在提高比電容的同時,也降低了電極材料的導電性能。在MnO2占比為39%時得到的復合材料的導電性能嚴重下降,比電容只有58.5 Fg-1,因此在竹碳纖維與MnO2復合時要選擇一個合適的比例,兼顧導電性能和比電容。2.通過原位水熱合成,將MnO2生長在石墨烯上組成復合電極材料。不加入石墨烯時,水熱合成得到的Mn02的平均直徑為95 nm,長徑比為12.9,此時材料的比電容為63.75 F·g-1;當復合材料中石墨烯的占比為20.4%時,復合材料中的Mn02的平均直徑為86 nm,長徑比為28,此時材料的比電容為116.6 F.g·-1;當復合材料中石墨烯的占比為34%時,復合材料中的MnO2的平均直徑為70 nm,長徑比為52.4,此時材料的比電容為187F·g-1。石墨烯的加入提高了電導率,增加了電極材料的離子結(jié)合位點。以此復合物為電極材料制作而成的超級電容器具有更高的質(zhì)量比容,更穩(wěn)定的循環(huán)性能以及更好的導電性。3.用旋切法將水曲柳木切成薄片狀水曲柳木片,作為柔性超級電容器的基底材料,替代傳統(tǒng)的基底材料材料聚對苯二甲酸類塑料(PET)。以這兩種材料制作兩組電容器,對組成的超級電容器彎曲45°和90°以及彎曲100次后分別進行電化學性能測試。PET制作的柔性超級電容器在彎曲45°、90°、100次時,電容器的電容性能分別為原來的98.5%、94.3%、92%;水曲柳木片基底材料電容器相對于無彎曲時候的電容性能,在彎曲45°、90°、100次時,電容器的電容性能分別為原來的時98%、96%、95.5%。結(jié)果表明水曲柳木片具有與PET同樣良好的彎曲性能。因為水曲柳木是生物質(zhì)材料,更加環(huán)保,因此是用作柔性超級電容器的基底材料更加理想的一種材料。
【學位授予單位】：中南林業(yè)科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM53
【圖文】：

邐基于牛．物質(zhì)碳功能材料的}9級電容器研究逡逑然而這種形狀只有在很低掃速的ＥＤＬＣ電極上能看到，有多重因素使其偏離矩逡逑形，在高掃速下，ＣＶ曲線呈“樹葉狀”（圖２．１ｂ），這是由于電極中的電子傳逡逑遞以及電解液中的粒子遷移速度有限，高掃速下電極／電解質(zhì)界面雙電層無法充分逡逑形成。當所加電極電勢過高電解質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)，比如常見的水系電解液在ＩＶ左逡逑右即開始發(fā)生氧化還原反應(yīng)并開始分解，會造成電流的增大，體現(xiàn)在ＣＶ曲線中逡逑即圖２．１ｃ，但電解質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)對電荷存儲并無貢獻，因此圖２．１ｃ矩形以外的面逡逑積不應(yīng)算在材料的電容中。更為嚴重的是，電解質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)多不可逆，會負面逡逑影響器件的循環(huán)穩(wěn)定性和壽命，因此充放電時要根據(jù)電解質(zhì)選擇合適的電勢窗口逡逑（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｗｉｎｄｏｗ）。不同于電解質(zhì)降解，電極界面發(fā)生的可逆氧化還原反應(yīng)即逡逑贗電容產(chǎn)生的電流在計算電容時要包括在內(nèi)

ｖｏｌｔａｇｅ邋ｅｘｃｅｅｄｓ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｓｔａｂｉｌｉｔｙ邋ｗｉｎｄｏｗ邋（ｃ）邋Ｔｈｅ邋ＩＲ邋ｄｒｏｐ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ＧＣＤ邋ｃｕｒｖｅ邋ｃａｕｓｅｄ逡逑ｂｙ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ逡逑典型的恒流充放電（ＧＣＤ）曲線如圖２．２所示，理想的超電容，充、放電過逡逑程曲線應(yīng)該是對稱的線段，通過斜率可以計算得到電容，現(xiàn)實中ＧＣＤ曲線往往逡逑偏離線性。圖２．２ｂ的非線性部分是當電壓超出電解液穩(wěn)定窗口的情形。相比于線逡逑性部分，斜率的下降是由于電極／電解液界面的電荷轉(zhuǎn)移過程：來源于電解質(zhì)和電逡逑極中的電化學反應(yīng)，前者會導致電解質(zhì)降解，降低器件的循環(huán)穩(wěn)定性；后者如果逡逑是可逆的意味著以贗電容形式貢獻電容，如果是不可逆的則會降低器件的循環(huán)穩(wěn)逡逑定性。當掃速增大，ＧＣＤ曲線會出現(xiàn)圖２．２ｃ中的情況（此時對應(yīng)于圖２．１ｂ中的逡逑樹葉狀的ＣＶ曲線）：從從充電轉(zhuǎn)變成放電時電壓會有突降，稱為電壓降（ＩＲ邋ｄｒｏｐ），逡逑這是由于體系內(nèi)的電阻（包括電極電阻、

質(zhì)量比為２４％，另外一組加入２３７ｍｇ高錳酸鉀，水熱后得到的復合材料中Ｍｎ０２逡逑的質(zhì)量比為３９％。逡逑圖３．２是Ｍｎ０２的質(zhì)量比為２４％的復合電極材料的ＳＥＭ圖，其中圖３．２（ａ）是逡逑放大５０００倍得到的圖像，圖中央是一根竹碳纖維，因為在水熱反應(yīng)時，該材料逡逑中加入了邋１１８．５ｍｇ的高錳酸鉀，因此在竹碳纖維上，我們可以看到生長著水熱得逡逑到的Ｍｎ０２。逡逑為了更清楚的看到得到的Ｍｎ０２的形貌，我們進一步放大觀察該材料＝圖逡逑３．２（ｂ）是對同一個區(qū)域放大了邋２００００倍的圖像�？梢钥吹剑驗閺秃喜牧现校停睿埃插义系馁|(zhì)量占比不高，因此得到的Ｍｈ０２是片狀和棒狀都有，棒狀的＼１１１0２零散分布逡逑與片狀Ｍｎ０２之上，沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。相比較而言，片狀的Ｍｎ０２＆棒狀的逡逑Ｍｎ０２具有更良好的導電性能，以及更高的比電容，同時也具有更大的比表面積，逡逑能夠更充分的與液態(tài)電解質(zhì)接觸。將竹碳纖維與Ｍｎ０２復合是為了提高純竹碳纖逡逑維的比電容

【參考文獻】

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本文編號：2761654