超级电容器又称电化学电容器,是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,具有高能量密度、功率密度和良好的循环寿命。这些特性使其在混合动力电源系统、照相机闪光灯和脉冲激光武器等需要大电流快速放电领域有着广泛的应用。碳气凝胶作为一种新型纳米多孔材料,具有高比表面积,高中孔含量、高导电率、稳定的物理化学性能等优点,是制备超级电容器的理想材料。本文以碳气凝胶为研究基础,系统研究了超级电容器用高比表面积碳气凝胶和改性碳气凝胶电极材料的制备工艺与电化学性能；并从简化制备工艺以及改善气凝胶结构等方面进行研究,考察常压干燥工艺对碳气凝胶电极材料电化学性能的影响。论文的结论如下：(1)针对本实验室成熟的、用于惯性约束聚变方面的碳气凝胶为研究基础,制备了不同理论密度碳气凝胶材料,碳气凝胶比表面积随着理论密度的增加有下降趋势,微孔、中孔孔径分布较集中,微孔主要集中在1.39nm左右,中孔集中在3nm。其中,CRF100理论密度的碳气凝胶材料比表面积、中孔含量较高,在1mol/L(C2H5)4NBF4/PC电解液中,碳气凝胶电极材料有着稳定的工作电压窗口,具有理想的电容行为,比容量最高可达50F/g。(2)针对未活化碳气凝胶比表面积较低问题,采用操作简单、对样品无污染的物理活化工艺,通过CO2活化技术,成功的制备了一系列具有梯度比表面积和孔径分布的活化碳气凝胶电极材料。实验发现随着CO2活化温度和活化时间的增加,碳气凝胶比表面积呈上升趋势,但碳气凝胶电极的质量比容量受比表面积和中孔孔容的共同影响,中孔含量高能够有效的提高碳气凝胶电极材料的面积利用率,当活化温度为950℃,活化时间为8h时,比容量最高,可达131.29F/g。(3)碳材料比电容的提高不仅可通过提高比表面积和调控孔径实现,同样可通过表面官能团的引入来实现。本文成功实现了碳气凝胶材料的掺杂改性,碳材料中硼原子的引入,在保持碳气凝胶多孔网络结构和比表面积的同时,有效提高了碳气凝胶电极材料的比电容。硼掺杂碳气凝胶后,由于掺杂量少,约为0.9%左右,仍主要存在碳微晶峰,但其主峰向左偏移,其(002)峰趋于尖锐,(002)主要对应于石墨片层峰,说明硼的掺杂有利于碳气凝胶的石墨化,其中掺杂量为B：C为1-5时,石墨化程度最高,在电极材料中,可提高其导电性,有利于降低电极材料的等效串联内阻。硼掺杂碳气凝胶电极材料在lmol/LKOH电解液中具有良好的电容行为,电化学性能稳定,具有良好的可逆性,在1mA/s充放电测试中,未掺杂碳气凝胶比电容为103F/g,掺杂后,材料比电容都有不同程度的提高,当B：C为1-5时,比电容达到212F/g,是未掺杂碳气凝胶比电容的2.05倍,说明硼原子掺杂由于赝电容的引入,极大地提高了碳气凝胶材料的比电容,且硼掺杂使碳气凝胶石墨化程度增强,降低材料等效串联内阻,从两个方面促进了比电容的提高。(4)碳气凝胶中含氮官能团的引入可以提高材料的碱性,增强表面的供电子特性,提高碳材料的电容量和功率性能。国内外关于氮掺杂的研究还比较少,本文通过碳气凝胶前驱体与三聚氰胺的复合,成功制备了氮元素掺杂且具有梯度比表面积和孔径结构的改性碳气凝胶。6mol/L KOH电解液中测试表明,不经过活化直接碳化的氮掺杂碳气凝胶材料虽然比表面积和孔容较小,但具有高的比电容和良好的功率特性。恒电流充放电证实,MRF0.1样品,具有最高的比容量,为195.5F/g,随着比表面积的下降,碳材料的比容量迅速下降。然而,当比表面积继续下降,掺氮量增加时,其比电容量又有所增加,MRF0.9样品,比容量达到173F/g。氮掺杂碳气凝胶材料具有小的比表面积,对应大的体积密度,有利于电化学电容器的小型化、实用化,是一种具有应用前景的电极材料。(5)针对碳气凝胶制备工艺复杂,成本高等缺点,本文首次采用加入表面活性剂P123,减少溶剂挥发过程中界面张力的方法,在常温常压干燥条件下,制备了形状完好、收缩较小的碳气凝胶,并通过CO2活化工艺来调节碳材料比表面积和孔径结构。6mol/LKOH电解液中研究表明,CO2活化有利于碳气凝胶电极材料比表面积和比容量的提高。950℃活化4h,电极比容量最高为258.3F/g。采用常压干燥技术制备的碳气凝胶电极材料,在降低原料成本的同时,仍具有较高的比容量和良好的循环寿命,有利于碳气凝胶作为超级电容器的实用化,是一种具有市场潜力的制备方法。
