超級電容器是一種新式的電化學能量儲存裝置,亦可被稱作電化學電容器,它不僅具有傳統(tǒng)電容器的某些特征同時也囊括了電池的某些特點,裝置主要由兩個高導電性電極通過帶有移動離子的電解質分隔開。作為超級電容器的主要組成部分,電極材料的重要性不言而喻,其分類通常情況下可以歸結為:碳材料、金屬氧化物及導電聚合物以上三種。社會現(xiàn)代化步伐的加快是有目共睹的,如何利用好清潔友好的可再生能源的儲能器件將會受到社會越來越多的關注,其中超級電容器就位于這些儲能器件之列。因為其包含了眾多優(yōu)點例如:較高的充電速度、較高的功率密度、較長的使用壽命、寬泛的工作適應溫度﹑良好的循環(huán)穩(wěn)定性等,在很多領域里都實現(xiàn)了其有效應用,從新能源汽車到軌道交通,從能量儲存到軍事等~([1])。這意味著超級電容器的發(fā)展前景是很明朗的,為了探索更多材料的潛在應用價值,主要研究內(nèi)容如下。1.通過使用香蕉皮作為碳前驅體和不同的檸檬酸鹽作為致孔劑,是制造微米/中孔碳的簡單和直接的碳化方法。多孔結構的形成基于碳化過程中堿和非堿有機鹽如鉀和鎂的檸檬酸鹽在煅燒過程中的反應。分解產(chǎn)物含有的許多無機顆粒(即K_2O或MgO)并嵌入碳框架內(nèi)。這些副產(chǎn)物或者作為活化劑或者作為模板劑形成不同孔徑的多孔碳,當通過酸洗除去時,這些副產(chǎn)物可形成微孔或中孔網(wǎng)絡結構。相應地,電化學測量顯示在引入檸檬酸鹽之后,我們在0.1 A/g的電流密度的測試條件下,比較來看碳材料的比電容從59 F/g上升到了258–273 F/g。2.通過水包油乳液法制備出有豐富孔結構并且有氮原子摻雜的碳泡沫材料,并將其用于超級電容器的制備方式現(xiàn)如今正越來越受研究人員們的青睞。但在一般,這種材料的制備過程是繁瑣的,我們這里運用一鍋法來合成摻氮間苯二酚/甲醛(R/F)酚醛樹脂,并且樹脂與三聚氰胺之間存在氫鍵穩(wěn)定的相互作用。結構表征表明,當檸檬酸鉀與酚醛樹脂的質量比為1:2.5時,所制備的材料N-HPCFs-2.5,比表面積(SSA)高達1759 m~2 g~(-1)且大的孔體積達到0.83 cm~3/g。作為超級電容器的電極,在6 M KOH電解質的三電極系統(tǒng)中測試,N-HPCFs-2.5具有高達298 F/g的比電容在電流密度為1A g~(-1)時,并且具有良好的穩(wěn)定性,在10 A g~(-1)的電流密度下循環(huán)5000次,電容仍能擁有超過93%的保持率,展現(xiàn)出了良好的的循環(huán)穩(wěn)定性。3.通過簡單的液相沉積法制備超級電容器電極的氧化錳(MnO_2)和空心碳球(HCS)的復合物,C/MnO_2復合材料具有HCS核心和由MnO_2納米薄片組成的殼。復合材料中的HCS不僅作為MnO_2納米片生長的模板,而且作為增強電化學性能的導電通道。對材料C/MnO_2進行退火處理后發(fā)現(xiàn)材料顯現(xiàn)出了α-MnO2的晶型結構,對電化學性能起到了顯著的提升。在1 M Na_2SO_4電解液中以電流密度為1 A/g的條件測試,復合材料C/MnO_2-300 ~oC的電容高達340 F/g。經(jīng)過了1000次充放電循環(huán),電容保持率依舊沒降太多,高達90.2%,說明循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。
【學位單位】：武漢工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TM53
【部分圖文】：

主要由兩個碳電極、電解液和隔膜組成，是以一種純物理靜電吸附脫附方式來進行電荷儲存的。圖1.1(a) 提供了雙電層電容器的原理示意圖，在這種超級電容中，沒有電子交換，沒有氧化還原反應，獲得高比電容為關鍵因素就是電極材料的比表面積和雙電層的厚度，該距離比傳統(tǒng)電容器能及的距離要小得多，這種大的電極表面積再加上非常小的電荷分離距離使得雙電層電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人的電容量，這也就是此種電容器名字的來由所在。當電容器接上電源，僅有物理過程的產(chǎn)生，電極表面產(chǎn)生電荷聚集，并在極板表面形成了雙電層，儲能通過使電解質溶液的電化學極化來達成的，且雙電層間不存在電子的轉移，使兩電極電荷的表面穩(wěn)定平衡，從而保持了優(yōu)良的靜電性。達到高電容的核心因素主要取決于充電的雙電層的要用具有高比表面積且導電性能好的電極材料。（2）贗電容電容器贗電容電容器的產(chǎn)生機制不同于雙電層電容器，它是電極材料中間電子轉移并發(fā)生氧化還原的一種現(xiàn)象，吸附過程與氧化還原反應協(xié)同引發(fā)的電容，贗電容出現(xiàn)在電極表面，那是感應電流的反應產(chǎn)生的源頭，類似于電池的充放電。此電化學行為是由感應電流引發(fā)引發(fā)，氧化還原

圖 3.2 多孔碳的透射電鏡圖 (a) PC, (b)K–PC, (c)Mg–PCFig 3.2 SEM images of (a) PC, (b) K–PC, (c) Mg–PC

的相關微觀結構參數(shù)，從圖表中可以清晰看出 K-PC 的比表面積（2159 m2g 1）明顯要比另外兩種多孔碳 PC（98 m2g 1）和 K-PC（1691 m2g 1）大得多。根據(jù)這些結果的比較，可以得出檸檬酸鹽的加入有助于微孔和中孔的形成。在碳化過程中，檸檬酸鹽首先分解成 K2O 和 MgO.近而 K2O可以和碳材料反應形成微孔，而非堿性氧化物 MgO 不會和碳框架反應，于是它嵌在碳材料中可以起到一個模板劑的作用，一旦最后用稀鹽酸的洗滌后，這些 MgO 納米顆粒就會形成介孔。
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本文編號：2842289