隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴重,尋找一種新型的綠色能源刻不容緩。作為一種能量儲存裝置,超級電容器結合了傳統(tǒng)電容器與電池的優(yōu)點,具有充放電時間短、功率密度大和循環(huán)穩(wěn)定性好等特點,其在航空航天、電動汽車和移動通訊上都有廣泛的應用。電極材料是影響超級電容器性能的關鍵因素,其中,碳材料由于具有高比表面積、多孔性和良好導電性等特點,成為雙電層電容器應用最廣泛的電極材料,但是碳材料多源于煤和石油等不可再生能源,而且制備過程污染環(huán)境,因此,尋找一種可再生、無污染的原材料是當前研究的熱點。以農(nóng)業(yè)廢棄物作為原材料不僅可以減少環(huán)境污染,而且可以最大化利用資源,節(jié)約成本。所以,本文以玉米秸稈芯作為原材料,制備出了活性碳材料并應用在超級電容器中,主要研究內(nèi)容如下:(1)以玉米秸稈芯為原材料,通過兩步法(碳化和活化)制備出活性碳材料,由于活化溫度是影響活性碳材料的主要因素,所以先對水熱溫度、水熱時間和活化時間等實驗條件進行了初步篩選,通過電化學性能測試得到的最佳工藝參數(shù)為水熱溫度150°C、水熱時間3 h、堿的濃度3 mol·L~(-1)、活化時間1 h,在此基礎上再討論活化溫度對碳材料的影響,得到最佳的活化溫度為700°C。在1 A·g~(-1)的電流密度下,CSC-700的比容量為160.1 F·g~(-1),循環(huán)1000圈后,保持率高達87.9%,在高電流密度下循環(huán)5000圈后容量僅衰減4%,體現(xiàn)了其較好的倍率性能和穩(wěn)定性。CSC-700的比表面積為1440.45 m~2·g~(-1),具有大量的孔隙結構,為電解液離子的轉移與脫嵌提供了便利,可以顯著提升其電化學性能。(2)研究表明,摻雜可以提高材料的比容量,而且,硝酸鎳可以增加材料的比表面積,所以本文利用玉米秸稈芯自身的海綿狀結構,充分吸收硝酸鎳溶液之后,再對玉米秸稈芯進行碳化和活化。通過對硝酸鎳濃度的探索,得出最佳的摻雜濃度是2%,CSC-2%在1 A·g~(-1)電流密度下的比容量是109.4 F·g~(-1),當電流密度增加5倍之后,比容量的衰減率僅僅為3.5%,在1 A·g~(-1)和5 A·g~(-1)的電流密度下循環(huán)充放電1000圈和5000圈后,比容量保持率分別為81.9%和85.7%。但是,與CSC-700對比后發(fā)現(xiàn),摻雜后的樣品容量低于未摻雜樣品。(3)考慮到制備的成本和步驟的復雜性,在第3章的基礎上,對制備方法進行了改進,利用堿液將木質(zhì)素等除去,再對剩余的纖維素進行碳化,不僅節(jié)約了成本,而且簡化了制備過程。通過對碳化溫度的探索,得到最佳的碳化溫度為600°C。CE-600在1 A·g~(-1)電流密度下的比容量是154.2 F·g~(-1),當電流密度增至5 A·g~(-1)后,比容量的保留率可以達到88.7%。在1 A·g~(-1)及5 A·g~(-1)的電流密度下循環(huán)充放電1000圈和5000圈后,比容量保持率分別為76.4%和92%,說明材料在大電流密度下的穩(wěn)定性較好。與兩步法制得的CSC-700對比后發(fā)現(xiàn),二者的容量水平幾乎持平。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TM53
【部分圖文】：

圖 1.2 超級電容器的分類Fig.1.2 The categories of supercapacitors 超級電容器的工作原理統(tǒng)電容器通過電荷分離形成的電勢差來儲存能量，能量被儲存在一層薄中，這些材料由金屬板支撐，作為器件的終端。超級電容器是介于傳統(tǒng)之間的一種儲能器件，基于工作原理的不同，分別稱為法拉第贗電容器器。法拉第贗電容器是通過氧化還原反應來存儲能量的，利用電解液和可逆的氧化還原反應來產(chǎn)生法拉第電容[16-18]。雙電層電容器，是在傳統(tǒng)電，用電解液替換了金屬板，由兩個電極和電極之間的隔膜電解液所構成器通過雙電荷層來儲存能量，使能量提高了數(shù)千倍。界面雙電層理論是 Helmholz 首次提出的，由于靜電作用，電解液中的正負離子分別向帶有極移動，最后聚集在電極材料表面上，形成緊密的電極-溶液界面電荷層

第 1 章 緒論公式 1.2 反映了電容器中存儲電荷 Q 的計算方法。221CVE ·····················································（1.1）Q CV························································（1.2）根據(jù)以上計算公式可知，超級電容器儲存能量的大小取決于電容和電壓，而的主要途徑即為提高電極材料的比表面積和獲取適宜的孔結構，所以用于超的電極材料多是擁有高比表面積、孔徑是納米范圍內(nèi)的多孔材料。

吉林大學碩士學位論文性及化學穩(wěn)定性，這使其在超級電容器上的應用也受到一定關注[36-37]。石墨烯的制法有很多種，主要是有兩種方法，第一種是通過物理和化學的處理方法，由石墨得到石墨烯；另外一種是從單個的碳原子考慮制備石墨烯。由于石墨烯特殊的結具有較高的比表面積，加上其優(yōu)異的導電性等特性，石墨烯作為超級電容器電極電容可以達到 200 F·g-1以上。Kim 等人[38]制備出了具有三維孔隙結構的石墨烯材獨特的孔結構大大地增強了材料的比容量。Xu 等人[39]曾報道，以海綿做模板，用 K氧化石墨烯進行活化，二者相結合所制備出的三維多孔碳材料，具有電阻小和比積大等優(yōu)點，其三維層次和多孔結構有利于離子傳輸，是超級電容器的理想電極。Zhu 等人[40]利用化學剝離法制備的氧化石墨烯，其比表面積達到了 3100 m2·g-1，率高，含氧量和含氫量低，適用于商業(yè)化應用。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

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相關碩士學位論文 前2條

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本文編號：2834897