發(fā)布時(shí)間：2021-11-16 01:56

　　雙電層電容器以其高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高循環(huán)效率而受到廣泛關(guān)注。然而,其低能量密度限制了它們的廣泛應(yīng)用。針對(duì)這一問題,本論文提出了一種簡(jiǎn)單而環(huán)保的方法來合成鈷和氮原子共摻雜的多孔碳材料（Co AT-NC）作為雙電層電容器的電極材料,以期獲得更好的電容性能。對(duì)Co AT-NC材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征顯示,與吡啶氮原子連接的鈷原子均勻分散在非晶碳基體中,有利于提高碳材料的潤(rùn)濕性、導(dǎo)電性和電子態(tài)密度。將Co AT-NC作為雙電層電容器的電極材料進(jìn)行性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),在酸性電解液中,0.5 A·g^-1的電流密度下,Co AT-NC表現(xiàn)出160 F·g^-1的質(zhì)量比電容,即使在100 A·g^-1的高電流密度下,其電容保持率達(dá)到90%(144 F·g^-1),而且在2 A·g^-1下充放電循環(huán)6500圈后比容量仍然能保持初始容量的96.3%;此外,在有機(jī)電解質(zhì)中可以獲得30 Wh·kg^-1的良好能量密度,高于商用超級(jí)電容器的能量密度(10-20 Wh·kg^-1)... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

超級(jí)電容器的組成

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.2雙電層電容器的儲(chǔ)能原理圖Fig1.2SchematicdiagramofenergystorageofEDLC雙電層電容器是最簡(jiǎn)單、商業(yè)化的超級(jí)電容器。其一個(gè)顯著特征是電極與電解質(zhì)之間不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，即沒有法拉第過程發(fā)生。雙電層電容器的比電容很大程度上取決于電極材料的有效比表面積和表面結(jié)構(gòu)特性。根據(jù)物理靜電過程，電雙層的形成和消失發(fā)生在一個(gè)非常短的時(shí)間范圍內(nèi)，約為10–8s，比贗電容發(fā)生的氧化還原反應(yīng)時(shí)間（范圍為10–2–10–4s）短。雙電層電容器的充放電過程只涉及電荷重排，沒有法拉第反應(yīng)；因此，雙電層可以立即響應(yīng)電位變化。由于雙電層電容器具有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高有效表面積和納米級(jí)的電荷分離距離，因此比傳統(tǒng)的電容器能存儲(chǔ)更多的電能。碳基材料，從商用活性炭、碳?xì)饽z、模板化碳，到碳納米管和石墨烯等碳納米材料，由于其良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、高比表面積和對(duì)電解質(zhì)離子的開放孔隙，是超級(jí)電容器最廣泛使用和研究的活性材料。雙電層的有效厚度在5–10之間，取決于電解質(zhì)離子和溶劑化圈的濃度和大校對(duì)于碳基材料體系，根據(jù)電解液介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和有效的雙電層電容，其比電容一般在10–21μF·cm–2之間。因此，高比表面積(1000–3000m2·g–1)的碳基材料理論上可以產(chǎn)生300–550F·g–1的雙電層電容。然而，在實(shí)驗(yàn)中，由于電導(dǎo)率有限，而且不是所有的表面活性位點(diǎn)可被利用，導(dǎo)致純碳基雙電層電容器的比電容實(shí)際上只有100–250F·g–1。所以，基于雙電層電容器電極純碳材料的商用超級(jí)電容器能量密度一般僅達(dá)3–10Whkg–1。1.3.2法拉第贗電容器法拉第贗電容器是通過電極活性物質(zhì)發(fā)生高度可逆的吸附脫附或氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生比雙電層電容更高的法拉第贗電容來儲(chǔ)存能量的。其儲(chǔ)能原理圖如圖1.3?

第一章緒論5圖1.3法拉第贗電容器的儲(chǔ)能原理圖Fig1.3Schematicdiagramofenergystorageofpseudocapacitors1.4雙電層電容器性能的影響因素雙電層電容器是通過電極/電解液界面雙電層上電解質(zhì)離子的吸脫附來儲(chǔ)存能量的，因此電極活性材料和電解液的特性都會(huì)極大程度上影響雙電層電容器的儲(chǔ)能能力，例如電極材料的比表面積、孔徑分布、電導(dǎo)率、潤(rùn)濕性、表面化學(xué)性質(zhì)等以及電解液的粘度、電解質(zhì)離子導(dǎo)電率和離子尺寸等，都是影響電容器性能的重要影響因素。1.4.1雙電層電容器的電極材料雙電層電容器常用的電極材料主要是多孔碳材料，例如活性炭、介孔碳材料、模板碳、碳納米管以及其他新型碳材料，這些碳系列材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生電極反應(yīng)，易形成雙電層，導(dǎo)電性良好，孔結(jié)構(gòu)可控，耐腐蝕，而且大部分廉價(jià)易得，也是唯一的商業(yè)超級(jí)電容器電極材料。目前一些常用碳材料在雙電層電容器上的研究性能參數(shù)如表1.1中所示，比表面積可高達(dá)3500m2·g–1，導(dǎo)電率高達(dá)106S·cm–3，水系電解質(zhì)中質(zhì)量比電容可達(dá)300–400F·g–1，有機(jī)體系中可達(dá)200F·g–1。然而目前商用超級(jí)電容器的能量密度比電池的低得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能器件的需求。1.4.1.1比表面積從理論上講，為了實(shí)現(xiàn)高比電容，應(yīng)該選擇高比表面積的碳作為電極材料。例如，Zhu等人[1]采用化學(xué)活化法制備了納米孔豐富、比表面積大于3000m2·g1的活化微波剝離石墨烯（aMEGO），應(yīng)用在雙電層電容器中，其能量密度高達(dá)70Wh·kg1。Wang等人[2]利用硬模板法制備了多孔碳納米片，比表面積高達(dá)2266m2·g1，在6MKOH電解液中發(fā)現(xiàn)其單電極比電容有384F·g1，而沒有用模板制備的多孔碳材料（比表面積1036m2·g1）組裝的雙電層電容器電極比電容僅258F·g1。然而實(shí)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氫氧化鉀活化制備超級(jí)電容器多孔碳電極材料[J]. 葉江林,朱彥武.  電化學(xué). 2017(05)
[2]以生物質(zhì)為前驅(qū)體合成的碳材料在電化學(xué)中的應(yīng)用[J]. 高書燕,黃輝.  化學(xué)通報(bào). 2015(09)

碩士論文
[1]超級(jí)電容器電極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D]. 農(nóng)谷珍.大連理工大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3497957