【摘要】：目前,低碳環(huán)保助力經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)下研究者面臨的一大挑戰(zhàn)。超級電容器作為一種新型的儲能元件,因其具備良好的倍率特性及電荷存儲能力、高功率密度、長循環(huán)壽命以及寬溫度適應(yīng)范圍等優(yōu)點,在能源、通訊、軌道交通等諸多領(lǐng)域得到了成功適用,其電極材料類型將直接影響電容器性能。炭材料依托其原料豐富、成本低廉且較高的比表面積可獲得較大的比電容成為迄今為止商業(yè)化運行最好的電極材料。而氮摻雜炭材料因其富電子氮及孤對電子的存在,在電化學(xué)性能方面展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展空間。本文采用幾丁質(zhì)為前驅(qū)體,圍繞富氮多孔炭材料的可控制備及其電化學(xué)儲能之間的構(gòu)效關(guān)系,展開了系統(tǒng)的研究。采用熱失重分析、氮氣吸脫附等溫線、X射線衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線光電子能譜等對幾丁質(zhì)的熱解行為、氮摻雜炭材料的形貌、結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)進行表征,并通過電化學(xué)工作站循環(huán)伏安、恒電流充放電及交流阻抗測試對氮摻雜材料的電化學(xué)性能進行綜合評價。本文的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)使用幾丁質(zhì)生物質(zhì)蟬蛻為炭源和氮源,采用空氣預(yù)炭化聯(lián)合KOH活化制備氮摻雜炭材料(CSC-x),并研究了不同堿炭(蟬蛻炭,CS char)比(x=0.5、1、2、3)對材料性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)KOH:CS char=2時,制得的材料CSC-2比表面積為1745 m~2 g~(-1)。在三電極體系中,CSC-2在電流密度為0.5 A g~(-1)時,其比電容高達(dá)266.5 F g~(-1),且表現(xiàn)出良好的倍率性能(20 A g~(-1)時比電容196.2F g~(-1))和循環(huán)穩(wěn)定性(5000次循環(huán)后,比容量保持率92.7%),這主要歸功于氮氧雜原子的摻雜。同時,CSC-2在對稱兩電極體系下,當(dāng)電流密度為5 A g~(-1)時,擁有較高的能量密度(15.97W h kg~(-1))和功率密度(5000W kg~(-1))。(2)使用純幾丁質(zhì)為碳源,NH_4HCO_3、(NH_4)_2SO_4和NH_4Cl三種銨鹽為致孔劑和氮源,采用直接熱解法制備富氮摻雜炭材料NC�？捉Y(jié)構(gòu)和表面元素分析表明,NH_4Cl具有最優(yōu)異的致孔作用及氮摻雜效果。熱分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),三種銨鹽中NH_4Cl的分解溫度最接近幾丁質(zhì)的分解溫度,此外NH_4Cl熱分解過程中產(chǎn)生的NH_3不僅能輔助擴孔,而且能成功地將氮原子引入到碳骨架中,生成電化學(xué)活性較強的吡咯和吡啶氮官能團。此外,還研究了氯化銨與幾丁質(zhì)的質(zhì)量比(0.5、1、2)對材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)質(zhì)量比為1時,制得的材料NC-NH_4Cl-1,在電流密度為1 A g~(-1)時,比電容約為274 F g~(-1)。在兩電極體系下,NC-NH_4Cl-1擁有11.11 W h kg~(-1)的能量密度及10000 W kg~(-1)的功率密度。
【圖文】：

[3]。因此如何有效提高電容器的能量密度是當(dāng)下研究的熱點。圖1.1是不同儲能器件的比能量及比功率密度關(guān)系的Ragone圖。通過改進超級電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使其功率密度和能量密度同時涵蓋幾個數(shù)量級，故而使得超級電容器可獨立作為能源供應(yīng)系統(tǒng)或與電池一起作為混合動力系統(tǒng)。高比功率以及高比能量的有效結(jié)合，使得超級電容器填補了傳統(tǒng)電容器與二次電池之間的空白，，也有效彌補了電池和燃料電池等其他電源的不足[4]。圖 1.1 不同儲能裝置的比能量和比功率的 Ragone 圖[5]Fig. 1.1 Reagone plot of specific power against specific energy for energy storage

1.2.2 超級電容器的工作機理及分類超級電容器的工作機理主要是依靠電荷或電解液離子間的遷移作用。如圖1.2所示，超級電容器主要由以下幾個部分構(gòu)成，具體包括電極、集流體、電解液、隔膜及外殼等。電容器使用不同的電解液體系和電極材料，其儲能原理也大相徑庭。通常超級電容器有三種分類方式[8]：（1）按照儲能機理不同可以分為: ①雙電層電容器(Electric Double LayerCapacitors，EDLCs)。EDLCs電極材料主要為炭材料，其工作原理是在電極表面與電解液中的電解質(zhì)離子形成雙電層。EDLCs充放電過程為電荷的物理遷移過程也稱靜電過程，因此炭材料的比表面積成為其電荷存儲量的關(guān)鍵。一般而言，若想要提高材料比電容，需提高材料比表面積。同時，由于EDLCs一般不會發(fā)生法拉第氧化還原反應(yīng)，因此性能穩(wěn)定且循環(huán)性能優(yōu)異、循環(huán)壽命長是雙電層電容器的顯著特征。但其缺點也較為明顯，雙電層電容器比容量及能量密度較低限制了其實際應(yīng)用。②法拉第贗電容器（Pseudo-Capacitors）。贗電容的產(chǎn)生主要由于活性物質(zhì)或電解質(zhì)離子在電極表面或體相內(nèi)部發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)及化學(xué)吸脫附行為[9]，其電極材料多為高分子導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物。此外，由于贗電容能夠深入電極體相內(nèi)，因此，一般情況下可獲得比EDLCs更高的比電容和能量及功率密度[10]。③混合電容器。（2）按電解液類型的不同可分為：①水系電解液。由于其成本低廉、導(dǎo)電性能優(yōu)異、與電極材料的孔道結(jié)構(gòu)能充分浸潤等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)領(lǐng)域。水系電解液包括中性、酸性和堿性電解液。其中，KOH溶液是堿性電解液中使
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM53;TQ127.11

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

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1 寧武;;超級電容器在電動車及混合動力公交車中的應(yīng)用[A];全面建設(shè)小康社會：中國科技工作者的歷史責(zé)任——中國科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會論文集（上）[C];2003年

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1 陳文照;氮/硫摻雜多孔碳超級電容器電極材料制備及其應(yīng)用研究[D];東華大學(xué);2016年

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本文編號：2590214