本文關(guān)鍵詞： 多級孔活性碳 滸苔 氣凝膠 超級電容器 鋰離子電池　出處：《青島大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著時代進步,人們對新型可移動儲能設(shè)備的需求越來越高。鋰離子電池(lithium-ion batteries,LIBs)、超級電容器(supercapacitors,SCs)等高效儲能設(shè)備的需求引發(fā)了人們對設(shè)計高性能先進電極材料的興趣�；钚蕴�(active carbon,AC)因具有較高的比表面積、良好的導(dǎo)電性以及化學(xué)穩(wěn)定性,成為近40年來儲能電極材料的研究熱點。但作為儲能材料而言,其孔隙結(jié)構(gòu)較為單一,大量的微孔(2 nm)結(jié)構(gòu)雖然能大大增加其比表面積,但是由于微孔材料的孔徑與電解質(zhì)離子不相容,便會顯著降低活性碳的可用的表面積。因此制備孔隙更為發(fā)達的高比表面積多級孔碳材料(hierarchical pore carbon,HPC)則成為改善碳電極材料性能的重要途徑。生物質(zhì)材料因其獨特的三維立體結(jié)構(gòu),且兼具可再生的、綠色環(huán)保等特點,可作為開發(fā)HPC材料的良好碳源。本論文利用滸苔藻類為生物質(zhì)碳源,從滸苔自身特有的管狀多孔結(jié)構(gòu)出發(fā),引入氣凝膠制備工藝,優(yōu)化活化流程,制備出富含多級孔結(jié)構(gòu)的高比表面積碳氣凝膠材料(hierarchical porous carbonaceous aerogel,HPCA)。并以該多級孔碳材料為基底,制備了Co_3O_4@HPCA復(fù)合材料以及PANI@HPCA復(fù)合材料。主要研究內(nèi)容如下:1.滸苔多孔碳的可控合成及其儲能性能。利用冷凍干燥法制備滸苔氣凝膠材料,將滸苔氣凝膠經(jīng)過高溫碳化、KOH活化制備具有微孔(micropore)、介孔(mesopore)、大孔(macropore)的多級孔結(jié)構(gòu)的碳氣凝膠材料,其比表面積可達1900~2200 m2g~(-1)。在此結(jié)構(gòu)中,大量介孔的存在,使材料的離子導(dǎo)電率得以改善,使其有效比表面積增大,明顯提高其鋰離子電池的性能與超級電容器的性能。作為鋰離子電池負極材料,在0.1 Ag~(-1)的電流密度下,可以達到827.1 mAhg~(-1)的比容量。作為超級電容器電極材料,在1 Ag~(-1)的電流密度下,可以達到260.6Fg~(-1)的比容量,且具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性(在10 Ag~(-1)的電流密度下循環(huán)充放電10000次,容量保持率為91.7%)。其優(yōu)異的儲能性能得益于滸苔多孔碳發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)。2.滸苔多孔碳與Co_3O_4復(fù)合材料的合成及其儲能性能。將滸苔多孔碳材料作為基底,以水熱方式,將Co_3O_4納米線與滸苔多孔碳原位復(fù)合,制備Co_3O_4@HPCA復(fù)合材料。滸苔多孔碳的引入不僅可以改善Co_3O_4納米線導(dǎo)電性差的問題,而且對提高Co_3O_4電極材料的功率密度以及穩(wěn)定性都有所幫助,使得材料的贗電容性能得以充分展現(xiàn)。Co_3O_4@HPCA復(fù)合材料在1 Ag~(-1)的電流密度下,可以達到1167.6Fg~(-1)的比容量,在50 Ag~(-1)的大電流密度下,仍可保持500.0Fg~(-1)的比容量。另外,在10 Ag~(-1)的電流密度下經(jīng)過萬次充放電,容量保持率為92.4%。復(fù)合材料的性能遠高于Co_3O_4納米線本身。3.滸苔多孔碳與PANI復(fù)合材料的合成及其儲能性能。將聚苯胺(polyaniline,PANI)原位生長在滸苔多孔碳材料表面,制備PANI@HPCA復(fù)合材料。滸苔多孔碳可作為骨架支撐,降低PANI在充放電過程中因溶脹、收縮導(dǎo)致的力學(xué)性能變差的問題,使得其循環(huán)壽命增加。另外多孔碳的引入也可彌補導(dǎo)電聚合物本身功率密度較低的問題。PANI@HPCA復(fù)合材料在1 Ag~(-1)的電流密度下,可以達到427.8 Fg~(-1)的比容量,在10 Ag~(-1)下循環(huán)10000,容量保持率為83.2%。較單純PANI材料性能有所提升。
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本文編號：1533013