超級電容器用多孔炭是一種高端活性炭,具有超高的比表面積、豐富的孔容、低的灰分,可廣泛應用于新型儲能器件。無煙煤作為變質程度最高的煤種,含碳量一般在90%以上,而且具有低灰分、低硫分、導電和導熱性能好等優(yōu)點,可作為制備多孔炭的優(yōu)質原料,從而實現(xiàn)煤炭的高附加值與高效清潔利用。同時,在炭材料中引入磷等異質元素能進一步調變材料的結構、表面化學性質及電子傳導性,使其具有更加廣闊的應用發(fā)展前景。因此,本課題以超純煤為碳前驅體,以提高超級電容器的比容量、循環(huán)性能、倍率性能和穩(wěn)壓性等為目的,通過物理化學方法調控炭材料的孔結構和表面化學,制備一系列高性能的煤基磷摻雜多孔炭電極材料。研究了電極材料的微觀結構與電化學性能之間的構效關系,進一步探索碳骨架中的含磷官能團以及磷的鍵合結構對炭材料的表面化學及其有機系下電化學性能的影響機理,為低成本、高性能的超級電容器電極材料的研發(fā)提供深入的材料化學基礎。論文以高階無煙煤為碳源,經(jīng)預先脫灰除雜后,分別采用磷酸活化、氫氧化鉀活化、組合活化、預氧化處理等方式制備超純煤基活性炭,然后分別用作超級電容器電極,依次在三電極堿性電解液體系和兩電極有機系下測試其電化學性能。對比探究制備工藝對多孔炭結構和電化學性能的影響,結果表明氫氧化鉀前活化對磷酸后活化具有明顯的促進作用,該化學法組合活化所得的多孔炭AC-K-P的綜合性能較好,其比表面積達2113 m2g~(-1),在水系和有機系中均展現(xiàn)出良好的電容特性和電化學穩(wěn)定性。在6 mol/L KOH電解液中,比電容在10A/g的高電流密度下依然達152F/g,電容保持率為71.82%,遠高于AC-K電極;在1 mol/L TEABF_4/PC電解液中,2500次循環(huán)后,容量保持率高達97.72%,在20 A g-1電流密度下比容量仍能保持54.87%。如此優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,與其表面化學環(huán)境變化有關,摻磷改性使得炭材料表面更加穩(wěn)定,促進了電極材料的電化學可逆性�；谏鲜鲅芯拷Y論,論文進一步探究磷酸活化對多孔炭孔結構和表面化學的影響,深入剖析電極材料微觀結構與電化學性能之間的構效關系。課題通過KOH預先活化造孔,緊接著磷酸活化摻磷并調節(jié)孔結構,進而合成具有高比表面積(2133 m~2/g)的摻磷多孔炭。磷酸活化不僅產(chǎn)生了更多介孔,有利于離子的快速擴散;而且為碳骨架中的磷摻雜提供了潛在的磷源。摻磷量的提高明顯抑制了不穩(wěn)定醌型和羧基官能團的形成,并因此提高了摻磷多孔炭的氧化穩(wěn)定性。系統(tǒng)的討論并分析了有機電解液中(1M Et_4NBF_4)磷官能團和孔結構對碳電極電化學性能的影響。研究結果表明,摻磷碳電極展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能,在30 A g~(-1)時容量保持率達75%;卓越的循環(huán)穩(wěn)定性,20000周循環(huán)后容量依舊保持初始電容的90%;并且電壓穩(wěn)定性良好,漏電流低于1.2μA。更重要的是,與未摻雜多孔炭相比,由于摻磷多孔炭基體中的含磷基團可有效堵塞活性氧位點,因此能夠在3.0V的高電壓下穩(wěn)定運行,以至于在功率密度為1500 W kg~(-1)下同時提供高達38.65 Wh kg~(-1)的能量密度。研究結果為磷酸活化多孔炭在先進電化學儲能領域的工業(yè)應用提供了深入的材料化學。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11;TM53
【部分圖文】：

課題研究技術路線圖

綜述rature Review、高效、可持續(xù)的綠色能源的生產(chǎn)和儲存是現(xiàn)代社會經(jīng)濟工題。超級電容器是近年學術界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關注的，一種介容器之間的新型儲能器件，不但具有比二次電池高的功率密具有比傳統(tǒng)電容器高的能量密度。圖2.1給出了不同能源。如圖所示，超級電容器由于較高的比能量和比功率占據(jù)了統(tǒng)電容器和二次電池之間的空隙。由于其諸多性能優(yōu)勢，超消費類電子產(chǎn)品，記憶存儲，能源管理，工業(yè)動力和移動電混合動力汽車和燃料電池汽車中，超級電容器能夠在剎車制動和加速過程中提供瞬時大功率，優(yōu)勢明顯，應用前景廣闊低碳經(jīng)濟核心產(chǎn)品。探索提高其容量和電極材料穩(wěn)定性的突域的重點。

7電層電容器，其儲能機理為雙電層儲能；將充放電過程中發(fā)生氧化還原反應而形成法拉第贗電容的電容器稱為法拉第贗（準）電容器。其分類如圖2-2所示。實際上，超級電容器的電容同時包含雙電層電容和法拉第贗電容，只不過兩者所占的比例不同，本論文中所涉及的超級電容器主要以雙電層電容為主。圖2-2 超級電容器的分類.Fig. 2-2 Classification of supercapacitor2.1.1.1 雙電層電容器雙電層電容器利用電荷在電極電解液界面上形成雙電層來儲能，主要以炭材料為電極材料。在外加電場的作用下，電解質離子在固體電極表面定向排列，從而在界面處形成符號相反但穩(wěn)定的雙層電荷，即雙電層（Electric DoubleLayer）。在 19 世紀末，著名物理學家 Helmhotz 等首次提出了雙電層理論。在此理論基礎上建立的雙電層模型能夠充分而簡明地描述雙電層電容器工作原理.如圖 2-3 所示為雙電層電容器的工作原理。雙電層電容器的能量以電荷形式儲存在電極材料電解液界面處。當未施加外電壓時，由于電解質溶液與電極表面之間存在的庫侖力和范德華力的作用
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本文編號：2863996