有机体系超级电容器用活性炭的制备与性能研究

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超级电容器是近年来迅速发展起来的一种新型储能装置,炭电极材料是其核心与关键。本文围绕有机体系超级电容器用高性能活性炭的研究,探讨了NaOH活化果壳基活性炭的制备与电容性能,以及高温热处理对NaOH活化果壳基活性炭的结构与电化学性能的影响。以果壳为原料、NaOH为活化剂制备有机体系超级电容器用活性炭电极材料,系统考察了原料粒度、果壳种类、炭化温度和活化温度等因素对活性炭的结构与电化学性能的影响。在实验考察的范围内,原料粒度对活性炭的结构和电化学性能影响不大,果壳种类、炭化温度和活化温度的影响显著。果壳原料的含碳量相近,但由于结构的致密程度不同,其活化的难易程度有显著差异,以果壳A为原料制备的活性炭既有高的比电容又有较好的大电流倍率性能。随炭化温度升高,炭化料的结构趋于规整,活化反应难度增大,活性炭的比表面积和孔容减小,质量比电容降低,但活性炭的表观电极密度增大,作为质量比电容和电极密度综合反映的体积比电容呈现先增大后减小的趋势,适中的炭化温度(600℃)有利于兼顾高体积比电容和良好倍率性能。随活化温度升高,活化反应进行的愈加充分,产率降低,碘吸附值呈增大的趋势。小电流密度下的比电容随活化温度的升高迅速增大,但600℃后再增加活化温度材料的比电容变化不大。综合考虑产率、成本与性能等因素,活化温度以650℃为宜。以果壳A为原料,于600℃恒温炭化1h,以2:1的碱炭比在650℃恒温活化制备出比表面积1992m2/g的活性炭,其在有机电解液1mol/LEt4NBF4/PC中的质量比电容和体积比电容分别高达162F.g-1。和84F·Cm-3,远高于进口商业电容炭YP15(110F.g-1,63F·cm-3),大电流倍率性能良好。高温热处理对活性炭的微结构、表面化学以及在有机电解液1mol.L-1Et4NBF4/PC中的电化学电容性能都有一定程度的影响。热处理后,活性炭的比表面积和孔容显著降低,表面含氧量减少,比电容略有减小,但循环性能显著改善,首次充放电效率得到提高,24h白放电率明显降低。在Ar气氛中热处理2h的活性炭具有较佳的综合性能。
学位论文数据集第4-5页
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第18-34页
    1.1 超级电容器的概述第18-25页
        1.1.1 超级电容器的概念第18页
        1.1.2 超级电容器的原理第18-22页
        1.1.3 超级电容器的特点第22-23页
        1.1.4 超级电容器的市场前景第23-24页
        1.1.5 超级电容器的发展方向第24-25页
    1.2 超级电容器电极材料的国内外研究进展第25-29页
        1.2.1 炭材料研究进展第25-28页
        1.2.2 金属氧化物材料研究进展第28-29页
        1.2.3 导电聚合物材料研究进展第29页
    1.3 工作电解质第29-31页
    1.4 本课题研究的目的意义第31-32页
    1.5 本课题的主要工作第32-34页
第二章 实验第34-42页
    2.1 实验原材料与设备第34-35页
        2.1.1 实验原材料第34页
        2.1.2 实验设备及仪器第34-35页
    2.2 超级电容器电极材料的制备第35页
    2.3 电极制作与模拟电容器组装第35-36页
        2.3.1 超级电容器电极的制作第35-36页
        2.3.2 超级电容器的组装第36页
    2.4 活性炭的结构表征第36-37页
        2.4.1 N_2吸附测试第36页
        2.4.2 碘吸附值的测定第36-37页
    2.5 超级电容器电化学性能的测试第37-42页
        2.5.1 超级电容器恒流充放电行为测试第37-38页
        2.5.2 超级电容器能量密度和功率密度第38页
        2.5.3 超级电容器充放电效率测试第38页
        2.5.4 超级电容器等效串联内阻和直流内阻测试第38-39页
        2.5.5 超级电容器的循环伏安测试第39页
        2.5.6 超级电容器的交流阻抗测试第39页
        2.5.7 超级电容器的自放电行为测试第39-40页
        2.5.8 超级电容器的循环性能测试第40-42页
第三章 NaOH活化果壳制备有机体系电容炭第42-70页
    3.1 化学活化制备活性炭的机理第42-43页
    3.2 原料粒度对活性炭的结构与电容性能的影响第43-47页
        3.2.1 活性炭的制备与表征第45页
        3.2.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第45-47页
            3.2.2.1 充放电曲线第45页
            3.2.2.2 循环伏安第45-46页
            3.2.2.3 大电流性能第46-47页
    3.3 原料种类对活性炭的结构与电容性能的影响第47-54页
        3.3.1 活性炭样品的制备与表征第47-50页
        3.3.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第50-54页
            3.3.2.1 充放电曲线第50页
            3.3.2.2 循环伏安第50-51页
            3.3.2.3 交流阻抗第51-52页
            3.3.2.4 大电流性能第52-53页
            3.3.2.5 循环性能第53-54页
    3.4 炭化温度对活性炭的结构与电容性能的影响第54-63页
        3.4.1 活性炭样品的制备与表征第54-57页
        3.4.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第57-63页
            3.4.2.1 充放电曲线第57-60页
            3.4.2.2 循环伏安第60-61页
            3.4.2.3 交流阻抗第61-62页
            3.4.2.4 大电流性能第62-63页
    3.5 活化温度对活性炭的结构与电容性能的影响第63-68页
        3.5.1 活性炭样品的制备第63-64页
        3.5.2 活性炭样品结构表征第64-65页
        3.5.3 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第65-68页
            3.5.3.1 充放电曲线第65页
            3.5.3.2 循环伏安第65-66页
            3.5.3.3 交流阻抗第66-67页
            3.5.3.4 大电流性能第67-68页
    3.6 本章小结第68-70页
第四章 高温热处理对活性炭在有机电解液中电容性能的影响第70-82页
    4.1 Ar气氛中热处理对活性炭的结构与电容性能的影响第70-77页
        4.1.1 活性炭样品的制备第70页
        4.1.2 活性炭样品结构表征第70-74页
        4.1.3 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第74-77页
            4.1.3.1 充放电曲线第74页
            4.1.3.2 循环伏安第74-75页
            4.1.3.3 交流阻抗第75页
            4.1.3.4 循环性能第75-76页
            4.1.3.5 自放电性能第76-77页
    4.2 H_2气氛中热处理对活性炭在有机电解液中电容性能的影响第77-80页
        4.2.1 活性炭样品的制备第77页
        4.2.2 活性炭样品在有机电解液体系中的电容性能第77-80页
            4.2.2.1 充放电曲线第77-78页
            4.2.2.2 循环性能第78-79页
            4.2.2.3 自放电性能第79-80页
    4.3 本章小结第80-82页
第五章 结论第82-84页
参考文献第84-90页
研究成果及发表的学术论文第90-92页
致谢第92-94页
作者和导师简介第94-96页
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书第96页
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