本文關(guān)鍵詞：多孔碳的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其電化學(xué)儲能性能研究

  更多相關(guān)文章： 多孔碳 鋰離子電池 超級電容器 sol-gel法 納米空心球 生物質(zhì)碳 二維納米片 鋰離子電容電池 介孔材料

【摘要】：隨著化石資源的枯竭和環(huán)境問題的加劇,人類迫切需要清潔、高效、可持續(xù)的能源,以及與之相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換與儲存新技術(shù)。能量存儲器件是現(xiàn)代社會不可缺少的關(guān)鍵器件之一。碳材料廣泛的應(yīng)用于超級電容、鋰離子電池等電化學(xué)儲能器件的電極材料。最常用是以活性炭或者石墨為電極材料,但是它的容量有限,阻礙了電化學(xué)儲能器件的更廣泛應(yīng)用。因此,非常有必要開發(fā)出既能簡便生產(chǎn)又能夠高效電化學(xué)儲能的先進碳基材料(分級孔隙,可控的孔徑分布,2D-納米結(jié)構(gòu),高比表面積,雜原子摻雜,高導(dǎo)電性等)。通過對碳材料微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控和設(shè)計可以有效的提高電化學(xué)儲能性能。因此本文旨在發(fā)展一種成本低廉、工藝簡單的一步法對多孔碳材料微觀結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,其目的是進一步提高多孔碳的電化學(xué)儲能性能表現(xiàn)。主要研究內(nèi)容如下:1.溶膠-乳液-凝膠法合成互聯(lián)互通的介孔空心碳球以及電化學(xué)儲能應(yīng)用論文的第三章以酚醛樹脂,正硅酸乙酯分別為碳和無機的前驅(qū)體前,溴化十六烷基三甲銨為軟模板。通過簡易的一鍋溶膠-乳液-凝膠法合成具有“貫穿孿晶結(jié)構(gòu)”的介孔空心納米球。這種“貫穿孿晶結(jié)構(gòu)”的二氧化硅作為納米反應(yīng)器提供一個限制性的納米空間可以極大的減少結(jié)構(gòu)的收縮在高溫碳化過程中。碳化后去除“貫穿孿晶結(jié)構(gòu)”(carbon-silica)復(fù)合材料中的二氧化硅,獲得的介孔空心納米碳球(MHCSs)具有開放的骨架結(jié)構(gòu),互聯(lián)互通的介孔(2-20 nm),可控的尺寸(90-1200nm)和殼厚度(23-270 nm),超高的比表面積(1820-2225 m2/g)和孔體積(1.65-2.53cm3/g),高度均一且單分散。探討了MHCSs的結(jié)構(gòu)特征與電化學(xué)儲能表現(xiàn)的關(guān)系,例如,MHCSs殼的厚度與超級電容器的時間常數(shù)的關(guān)系,并且發(fā)現(xiàn)MHCSs材料適合應(yīng)用于高倍率的能源存儲設(shè)備中,例如:最短的直徑的MHCSs(90 nm)擁有最短的時間常數(shù)(τ0=0.75)和良好的大倍率電容(180 F/g@100 A/g,放電時間僅0.45秒)和循環(huán)保持率(20000周期損失3%)。在鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)用中,0.1A/g的電流密度100次循環(huán)后,其比容量為1165 m A h/g是石墨理論容量(372 m A h/g)的3倍之多。此外,提出了這種“貫穿孿晶結(jié)構(gòu)”的生長機理以及對材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用,改變了傳統(tǒng)模式強烈的依賴于硬模板法相對繁瑣過程。這種“貫穿孿晶結(jié)構(gòu)”的設(shè)計策略也適用于其他的介孔空心球材料的制備,例如,二氧化硅,酚醛樹脂和更為廣泛的納米復(fù)合材料。因此,我們的合成策略可同時實現(xiàn)高質(zhì)量的、單分散的、開放的、互聯(lián)互通的介孔空心球的材料制備。2.米糠基多孔碳材料制備及其電化學(xué)電化學(xué)儲能應(yīng)用采用簡單的堿活化法,直接碳化活化農(nóng)副產(chǎn)品(米糠)制備出的3D多孔碳材料,不僅保留了米糠本征的骨架結(jié)構(gòu),并且具有相互連通孔隙結(jié)構(gòu)的蜂窩狀介孔。堿碳的質(zhì)量比幾乎與多孔碳材料的比表面積成良好的線性關(guān)系,而且微孔和介孔的比例在一定的范圍內(nèi)可控。并且研究了3D多孔碳的結(jié)構(gòu)特征對超級電容器和鋰離子電池性能的影響。例如,當(dāng)KOH/RBC質(zhì)量比等于4時,3D多孔碳有最高的比表面積(2475 m2/g)和最優(yōu)化的微孔/介孔,孔體積為1.21 cm3/g,其中介孔/總孔體積的比高達40%。該材料在二電極體系的超級電容器表現(xiàn)出了優(yōu)良的倍率性能,例如,在堿性電解質(zhì)中,超高的電流密度10 A/g和100 A/g的充放電時的比電量分別為265 F/g和182 F/g,即使電極材料的面密度高達10 mg/cm2(工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)),在離子液體體系中,高的功率密度1223 W/Kg(550 W/L)下仍然獲得較高的能量密度70 W h/Kg(32 W h/L)。其容量接近商用的鋰離子電池,然而放電時間僅僅為206秒。另外,作為鋰離子電池負(fù)極材料,高電流密度0.5A/g,300次的恒流充放電后的比電容仍然高達467 m A h/g,是石墨碳的理論值(372 m A h/g)的1.25倍。因此,針對現(xiàn)有儲能器件的能量密度低,尤其是在大倍率充放電時能量密度更低的問題,我們提供了利用孔徑可調(diào)的米糠基多孔活性碳材料來制備高功率、高能量密度電化學(xué)儲能器件,也為豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品制備活性碳提供了新途徑,有望在高能量密度的儲能設(shè)備領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。3.蠶絲基摻氮多孔碳納米片的制備及其電化學(xué)儲能應(yīng)用生物蛋白以天然蠶絲為例,通過簡單易行可規(guī)�；囊徊椒ā盎罨�-石墨化”聯(lián)合路線制備新穎結(jié)構(gòu)的納米片碳材料(HPNC-NS)。該納米片具有良好的電化學(xué)儲能特征,例如,高比表面積(S BET:2494 m2/g)和分級孔體積(2.28 cm3/g),薄納米片厚度(~20nm),豐富的氮摻雜(4.7%),高度的石墨化和存在一定缺陷。難得的,也是非常關(guān)鍵的是合成同時保證以上所有的顯著特征的碳材料。因為同時具備以上特征的碳材料在電化學(xué)儲能領(lǐng)域?qū)䦷怼岸嘀貐f(xié)同效應(yīng)”,這種效應(yīng)將有利于制備具有優(yōu)異性能的電化學(xué)儲能器件。例如,HPNC-NS材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極,其容量可高達1865 m A h/g,在碳材料或者摻氮的碳材料中是目前最高的容量。另外,該材料制備的對稱的超級電容器在離子液體電解質(zhì)體系中具有優(yōu)異的電容(242 F/g)和能量密度(102 W h/kg,48 W h/L),且循環(huán)穩(wěn)定性高(10000個循環(huán)后損失9%)。功率密度為4050 W/kg時能量密度約為63.3 Wh/kg,放電時間為56 s。因此,我們通過簡易的一步法合成了HPNC-NS,并成功應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極和超級電容器上,可見,HPNC-NS有望應(yīng)用在下一代綠色混合儲能器件中。另外,我們探討HPNC-NS電極材料同時具有“脫嵌鋰”的電池特性和“吸附鋰”的電容特性的初步機理。研究發(fā)現(xiàn)HPNC-NS電極材料適合應(yīng)用于鋰離子電容電池,即兼有鋰離子電池的高能量密度和超級電容器的高功率�？赡転橥瑫r解決同一儲能體系中能量密度和功率密度不可兼得的矛盾具有重要的現(xiàn)實意義和理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 周曉航;陳政;;鈦雙極片上網(wǎng)印導(dǎo)電聚合物——碳納米管復(fù)合物及其在水型不對稱超級電容器中的電化學(xué)性能(英文)[J];電化學(xué);2012年06期

2 鐘暉;戴艷陽;黃浩宇;;電化學(xué)電容器碳材料研究現(xiàn)狀[J];電源技術(shù);2013年09期

3 于清波;;反蛋白石結(jié)構(gòu)石墨型氮化碳制備及光催化降解研究[J];工業(yè)水處理;2013年11期

4 顧書英;劉玲玲;高Pp峰;劉濤;;嵌段共聚物的靜電紡絲法制備納米碳纖維[J];功能高分子學(xué)報;2013年04期

5 Yong Xiao;Chao Long;Ming-Tao Zheng;Han-Wu Dong;Bing-Fu Lei;Hao-Ran Zhang;Ying-Liang Liu;;High-capacity porous carbons prepared by KOH activation of activated carbon for supercapacitors[J];Chinese Chemical Letters;2014年06期

6 王峰;廉嘉麗;王康麗;程時杰;蔣凱;;新型炭材料在超級電容器與鉛炭電池中的應(yīng)用研究進展[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2014年06期

7 Li-Qing Ma;Hao Chen;Yong-Min Guo;Bao-Zong Li;Yi Li;;Preparation of single-handed helical phenolic resin nanoflbers using a supramolecular templating method[J];Chinese Chemical Letters;2014年10期

8 陳歡;陳晶妮;仇鵬翔;江芳;;Co_3O_4/mpg-C_3N_4催化劑的制備及其可見光催化性能研究[J];功能材料;2014年23期

9 鐘奇能;粟澤龍;李新祿;;氮摻雜石墨烯柔性薄膜的制備及其超電容性能[J];表面技術(shù);2015年01期

10 余謨鑫;范梁威;張晨;何孝軍;鄭明東;李忠;;以MgO為模板劑制備納米中孔炭及其應(yīng)用研究進展[J];材料導(dǎo)報;2015年03期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 郝龍;智林杰;;多孔有機網(wǎng)絡(luò)材料在超級電容器中的應(yīng)用[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第30分會：低維碳材料[C];2014年

2 趙連勤;楊勝韜;;摻雜二氧化鈦的石墨烯泡沫吸附處理四環(huán)素污水的研究[A];2014中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集（第五章）[C];2014年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 程爽;錳/鈷氧化物超級電容電極材料的制備和性能研究[D];蘭州大學(xué);2012年

2 廉鎖原;無機材料的乙醇溶劑熱合成及應(yīng)用[D];蘇州大學(xué);2013年

3 劉振宇;新型多孔碳材料的合成與應(yīng)用研究[D];北京化工大學(xué);2013年

4 夏笑虹;酚醛樹脂基多孔炭材料的可控制備與電容性能研究[D];湖南大學(xué);2012年

5 項東;鐵基合金與氧化物納米粒子修飾有序介孔碳電化學(xué)性能研究[D];山東大學(xué);2013年

6 陳立鋒;碳基復(fù)合材料的設(shè)計、規(guī)模化制備及其在超級電容器中的應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

7 羅改霞;鋰離子電池與超級電容器電極材料的理論研究[D];大連理工大學(xué);2013年

8 王濤;不銹鋼表面有序介孔碳基薄膜的制備及其性能[D];南京航空航天大學(xué);2012年

9 徐婧;高比表面共軛材料的合成和環(huán)境凈化性能研究[D];清華大學(xué);2013年

10 俞柱現(xiàn)（Yujuhon）;自組裝合成氮摻雜有序介孔碳材料與其CO_2吸附[D];吉林大學(xué);2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王磊;靜電紡絲制備酚醛基碳纖維氈及其電容式脫鹽性能[D];清華大學(xué);2012年

2 葉磊;超級電容器用鈷摻雜Ni（OH）_2/NiO正極材料的研究[D];吉林大學(xué);2013年

3 白翔;多級多孔碳納米纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其儲能性能的研究[D];北京化工大學(xué);2013年

4 王媛媛;模板法合成介孔碳材料的研究[D];河北科技大學(xué);2013年

5 張秀麗;以絲素蛋白為模板調(diào)控碳酸鈣生物礦化的研究[D];蘇州大學(xué);2013年

6 劉勇沼;介孔碳及聚吡咯/介孔碳復(fù)合材料的制備和電化學(xué)性能研究[D];鄭州大學(xué);2013年

7 高見;模板法控制合成介孔碳及其脫色性能的研究[D];沈陽建筑大學(xué);2013年

8 王有群;功能化有序介孔碳對鈾（Ⅵ）吸附性能的研究[D];東華理工大學(xué);2013年

9 王帥;合成負(fù)載金納米粒子的有序介孔碳基催化劑及其應(yīng)用[D];上海師范大學(xué);2013年

10 高雅;絲素蛋白電紡膜的制備及其仿生礦化研究[D];昆明醫(yī)科大學(xué);2013年

，

本文編號：1256095