超级电容器用新型多孔碳材料的制备及其电化学性能研究

超级电容器由于具有能量密度高、循环性能优异、价格低廉以及环境友好等优点而受到研究者的青睐。而电极材料是影响超级电容器性能的重要因素之一，因此，研究人员一直将高性能电极材料的合成与优化作为超级电容器的研究重点。目前，应用最多的超级电容器的电极材料当属多孔碳材料。本文以制备超级电容器用新型多孔碳材料为目的，以活性碳微球为基体，通过原位化学氧化聚合法制备了聚苯胺包覆活性碳微球复合材料(PANI/ACMB)，并通过高温碳化处理制备了新型含氮碳微球材料(NENCs)。此外，通过采用纳米注入法制备了有序介孔/微孔碳化铬骨架碳材料(CDCs)，并研究其物理和电化学性能。主要工作如下：通过原位化学氧化聚合的方法制备了PANI/ACMB复合电极材料。结果发现：PANI均匀地沉积在ACMB的表面，得到具有类荔枝状形貌的PANI/ACMB复合电极材料。同时，PANI/ACMB复合电极材料比纯ACMB具有更好的电化学性能，当扫描速率为1mV s-1时，循环伏安测试得到的复合电极材料比电容达433.8F g-1；将PANI/ACMB复合电极材料组装成超级电容器进行循环寿命测试，经过500次循环后比电容仍高于ACMB的比电容，显示了良好的电化学性能。为了改善复合电极材料的循环性能，将制备的PANI/ACMB复合材料在高温下碳化并经浓硝酸活化，制备了三种含氮碳微球材料NENCs并探讨了温度改变对其物理和电化学性能的影响。结果表明：当制备温度为600℃时，所得到的NENCs-600材料显示出最大的比表面积(652.8m2g-1)并且具有最佳的电化学性能。当电流密度为1Ag-1时，NENCs-600单极片的比电容高达385.0F g-1。经过2500次循环寿命测试，容量保持率为92.8%。将最佳温度下得到的NENCs电极组装成对称型超级电容器，研究其在0.5MK2SO4、1M H2SO4和6.0M KOH水系电解液中的电化学性能。结果表明：在6.0M KOH电解液中，超级电容器表现出最佳的电化学性能，即具有最好的电化学可逆性、最短的弛豫时间(1.11s)以及接近理想的极化情况。在500mAg-1电流密度下进行循环寿命测试，比电容高达89.5F g-1且具有优异的循环稳定性。针对CDC碳材料存在离子传输速度慢和储能特性有待提高等问题，提出以SBA-15为模板、糠醇为碳源以及乙酸铬为铬源，制备了有序介孔/微孔碳化铬骨架碳材料CDCs。结果表明，当乙酸铬含量为35%时制备的CDCs-2碳材料具有类链条状结构，其比表面积、孔容以及孔径分别为1236m2g-1、0.76cm3g-1和3.43nm。当电流密度为1A g-1时，CDCs-2电极的比电容高达242.7F g-1。将其组装成超级电容器经过10000次寿命测试，其库仑效率保持为100%。