本文關(guān)鍵詞：三維多也孔碳基納米材料的制備及其電化學(xué)性質(zhì)研究

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【摘要】：電化學(xué)電容器又稱為超級電容器,是介于傳統(tǒng)平行板電容器和電池之間的新型能源存儲器件,具有功率密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好以及大電流快速充放電能力等特點,近些年來在世界范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。但是如何實現(xiàn)高能量密度存儲,同時保持良好的功率密度和低生產(chǎn)成本是超級電容器目前發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)。電極材料作為超級電容器的核心組分,從電極材料的制備和設(shè)計角度提高超級電容器電化學(xué)性質(zhì)是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點,特別是三維多孔碳基納米材料的構(gòu)建和制備。電紡碳納米纖維具有超長一維納米結(jié)構(gòu)和三維連續(xù)框架結(jié)構(gòu),既可以作為理想的自支撐電極材料,也可以作為基底材料與贗電容材料復(fù)合或進(jìn)行表面異類元素?fù)诫s制備高電容復(fù)合電極材料。本論文對此進(jìn)行了以下一系列研究:(1)以電紡碳納米纖維為基底,通過反復(fù)、多次苯胺單體原位化學(xué)聚合,實現(xiàn)高負(fù)載量(78 wt%)PANI在CNFs表面均勻沉積,制備的CNFs/PANI復(fù)合電極材料在三電極測試體系中,在5 mV/s掃描速率下比電容值為407 F/g;此外,在CNFs表面修飾CNTs,能夠提高電極材料的導(dǎo)電性、降低離子擴(kuò)散半徑以及提高PANI利用率,采用溶劑熱、高溫氫氣還原和原位化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的方法,成功合成高質(zhì)量CNFs/CNTs混合碳材料。以CNFs/CNTs/PANI三元復(fù)合材料作為電極材料制備的全固態(tài)柔性超級電容器具有10.1 kW/kg高功率密度和5.1 Wh/kg高能量密度。(2)從電極材料的結(jié)構(gòu)和設(shè)計角度出發(fā),以電紡聚丙烯腈(PAN)納米纖維為基底,利用其超長一維納米結(jié)構(gòu)和三維多孔框架結(jié)構(gòu),通過苯胺單體原位聚合,實現(xiàn)PANI在PAN納米纖維表面均勻、連續(xù)沉積,制備柔性PAN@PANI核-殼復(fù)合納米纖維。以PAN@PANI納米纖維直接作為電極材料,PANI同時起到導(dǎo)電和儲能作用,調(diào)控PANI的酸摻雜程度和負(fù)載量,在三電極測試體系中,PAN@PANI納米纖維在5 mV/s掃描速率下比電容值為346 F/g;此外,PAN@PANI納米纖維還是具有特殊核-殼納米結(jié)構(gòu)的富氮前驅(qū)體,通過熱解處理制備自支撐氮摻雜多孔碳納米纖維(NPCNFs),控制處理溫度調(diào)節(jié)纖維表面氮含量以及孔分布特性,基于NPCNFs電極材料的全固態(tài)柔性超級電容器在0.5 A/g電流密度下,可以實現(xiàn)250 W/kg功率密度和9.2 Wh/kg能量密度存儲,此外,即使在5.8 kW/kg高功率密度下,固態(tài)器件依然具有5 Wh/kg能量密度輸出。(3)高比表面積、低內(nèi)阻的多孔碳材料作為電極材料具有理想的電荷存儲能力。利用PAN/PVP/DMF前驅(qū)體溶液在水中的相分離作用得到多孔PAN薄膜,經(jīng)高溫碳化和KOH表面激活處理,制備具有高度交聯(lián)骨架結(jié)構(gòu)的自支撐多孔碳(HPC)薄膜材料。以HPC薄膜材料為電極材料,組裝CR2025型扣式超級電容器具有僅為0.8Ω的內(nèi)阻和高達(dá)96%的庫倫效率,在0.5 A/g和32 A/g電流密度下器件的比電容值分別為204 F/g和152 F/g;此外,在HPC薄膜材料表面修飾PANI,制備HPC/PANI復(fù)合電極材料可以進(jìn)一步提高電極材料的電容性;為了進(jìn)一步降低HPC薄膜電極的內(nèi)阻,實現(xiàn)了泡沫鎳支撐多孔碳材料(NF-HPC)一體化電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計,將器件內(nèi)阻降低至0.31Ω以及庫倫效率提高到近乎100%�；贜F-HPC獨特的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計,器件在0.5 A/g電流密度下的比電容值高達(dá)283 F/g,以及實現(xiàn)了10 Wh/kg高能量密度和124W/kg功率密度存儲。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;TM53

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8 景茂祥,沈湘黔,沈裕軍,鄧春明,翟海軍;超級電容器氧化物電極材料的研究進(jìn)展[J];礦冶工程;2003年02期

9 朱磊,吳伯榮,陳暉,劉明義,簡旭宇,李志強(qiáng);超級電容器研究及其應(yīng)用[J];稀有金屬;2003年03期

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6 王燕;吳英鵬;黃毅;馬延風(fēng);陳永勝;;單層石墨用作超級電容器的研究[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會論文摘要集（上冊）[C];2009年

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8 張琦;鄭明森;董全峰;田昭武;;基于薄液層反應(yīng)的新型超級電容器——多孔碳電極材料的影響[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第10分會場摘要集[C];2010年

9 馬衍偉;;新型超級電容器石墨烯電極材料的研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

10 劉不厭;彭喬;孫s，

本文編號：1302371