本文選題：儲(chǔ)能材料 + 超級(jí)電容器��； 參考：《南京航空航天大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：超級(jí)電容器(supercapacitors)又名電化學(xué)電容器,是指采用高比表面積的碳材料、導(dǎo)電聚合物或者過(guò)渡金屬氧化物作為電極材料的新型儲(chǔ)能器件,具有高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、快速充放電速率、低的制造成本等優(yōu)點(diǎn),在軍用、民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)超級(jí)電容器電荷儲(chǔ)存機(jī)理的不同,可將超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第贗電容器兩種。通常使用比表面積大,電導(dǎo)率高的的碳材料作為雙電層電容器電極材料。碳材料具有穩(wěn)定且出色的物理和化學(xué)性能,因此碳基雙電層電容器表現(xiàn)出優(yōu)異電化學(xué)性能。碳材料具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),是最早商業(yè)化的超級(jí)電容器電極材料。但是相比以導(dǎo)電聚合物和過(guò)渡金屬氧化物作為電極材料的贗電容器,碳基電極材料的能量密度偏低,低的能量密度制約了碳基電極材料的使用。本文通過(guò)構(gòu)筑不同微觀形貌及結(jié)構(gòu)的聚合物作為碳前驅(qū),在惰性氣氛保護(hù)下使聚合物前驅(qū)熱解碳化,制備性能優(yōu)異的雜原子摻雜碳材料,為高容量碳基超級(jí)電容器提供理論和科學(xué)依據(jù)。主要研究包括:(1)本文使用聚苯乙烯(SPS)球作為硬模板,通過(guò)原位化學(xué)聚合法,在PS球模板上均勻包覆聚苯胺層(HPS),在去除PS球模板后,通過(guò)高溫碳化處理將空心PANI球轉(zhuǎn)化為具有分級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的多孔氮摻雜空心碳球(PNHCS)。在電流密度為0.5 A·g-1的充放電電流下,PNHCS的比電容為213 F·g-1。在1 A·g-1的電流下進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試,充放電進(jìn)行5000次后,容量保持率大于91%。材料電化學(xué)性能的改善來(lái)源于PNHCS獨(dú)特的微觀形貌和氮原子摻雜。中空的PNHCS可存儲(chǔ)電解液,在快速充放電過(guò)程中具有“離子緩沖”作用,PNHCS富含微孔和介孔,有益于增大材料比表面積,同時(shí),改善電解液離子在材料內(nèi)部穿梭速率。氮元素的摻雜一方面可以為碳材料增加贗電容反應(yīng),改善其電容性能,另一方面對(duì)碳材料的電子導(dǎo)電性和表面潤(rùn)濕性也有一定程度的改善。(2)利用植酸作為聚苯胺聚合時(shí)的質(zhì)子酸摻雜劑和軟模版,合成具有空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚苯胺(P-PANI)纖維。在惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)峤夥磻?yīng),使得聚苯胺中的氮元素以及植酸中的磷元素?fù)饺胩疾牧系木Ц裰?生成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的氮磷共摻雜多孔碳納米纖維(NPCNF)。通過(guò)氫氧化鉀的活化作用,制備出了具有大的比表面積(2586 m2·g-1)和大的孔體積(1.43 cm3·g-1)的PNPCNF。大的比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)有利于提高材料的雙電層電容性能和循環(huán)穩(wěn)定性。氮元素的摻雜提高碳材料的比電容,改善了碳材料的電子導(dǎo)電性和表面潤(rùn)濕性。磷元素的摻雜不僅可以為碳材料增加贗電容,還能拓寬碳材料在水系電解液下的的工作電壓,從而提高超級(jí)電容器的能量密度。三電極體系下,PNPCNF最大比電容值可達(dá)到280 F·g-1(1 A·g-1)。雙電極體系下,PNPCNF的最大能量密度可達(dá)16.3Wh·kg-1。(3)使用柔性碳納米管(CNT)紙作為基體,通過(guò)稀溶液聚合法,在CNT紙上垂直定向生長(zhǎng)聚苯胺納米線陣列(CNT/PANI)。經(jīng)惰性氣氛保護(hù)下的高溫碳化過(guò)程,制備出碳納米管紙和多孔氮摻雜納米線復(fù)合材料(CNT/NC)。高度石墨化的CNT紙,提高復(fù)合材料的電子導(dǎo)電性。定向生長(zhǎng)的多孔氮摻雜碳納米線陣列構(gòu)筑出三維的空間結(jié)構(gòu),不僅提高了復(fù)合材料的比表面積,增大材料的雙電層電容,而且為電解液離子在材料內(nèi)部的快速遷入遷出提供了擴(kuò)散通道。氮元素的摻入則為材料增加了贗電容反應(yīng),提高了材料的贗電容。柔性的CNT/NC在作為超級(jí)電容器電極材料使用時(shí),無(wú)需另外添加粘合劑,使得材料的倍率性能得以改善。在充放電電流密度為2 A·g-1時(shí),CNT/NC的最大比電容達(dá)到211 F·g-1。當(dāng)充放電電流密度增加至50 A·g-1時(shí),CNT/NC的電容保持率為60%。(4)聚合物基有機(jī)框架化合物(POF)具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積。以吡咯和對(duì)苯二甲醛為單體,合成具有POF結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)的吡咯-對(duì)苯二甲醛共聚物(Ptp OF),在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化,Ptp OF轉(zhuǎn)化為多孔氮摻雜碳微球(PNCM)。通過(guò)氫氧化鉀活化后,制備了A-PNCM。PNCM保留了Ptp OF中多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),表現(xiàn)出大比表面積,PNCM和A-PNCM的比表面積分別為921和1303 m2·g-1。對(duì)材料進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試,在0.5 A·g-1的電流密度下,PNCM和A-PNCM比電容分別為248和282 F·g-1。材料在大電流密度充放電實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出良好的容量保持率。此外PNCM和A-PNCM還具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性。
[Abstract]:A new energy storage device with high specific surface area , conductive polymer or transition metal oxide is used as electrode material . ( 2 ) Using phytic acid as a proton acid dopant and a soft template in the polymerization of polyaniline , the polyaniline ( P - pani ) fiber with three - dimensional network structure is synthesized . The PNPCNF with large specific surface area ( 2586 m2 路 g - 1 ) and large pore volume ( 1.43 cm3 路 g - 1 ) is prepared by the activation of potassium hydroxide . The doping of the nitrogen element can increase the capacitance of the carbon material and improve the surface wettability . The doping of the phosphorus element can increase the energy density of the super capacitor . Under the three - electrode system , the maximum specific capacitance of PNPCNF can reach 280 F 路 g - 1 ( 1 A 路 g - 1 ) . A porous nitrogen - doped carbon nano - wire array ( CNT / NC ) is prepared by using flexible carbon nanotube ( CNT ) paper as a matrix . Its advantages include high specific surface area , high specific surface area , and high specific surface area .
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM53

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本文編號(hào)：2090731