摻雜微-介孔碳材料用于超級電容器的性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種重要的新型能量存儲元件以其高功率密度和能量密度填充了傳統(tǒng)靜電容器和電池之間的空白，而電極材料的性質(zhì)是決定超級電容器性能的關(guān)鍵因素。與金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物相比，碳材料是研究最早、應(yīng)用最廣的電極材料，但是如何在保持較高功率密度的前提下提升能量密度以及降低其生產(chǎn)成本是目前面臨的挑戰(zhàn)。
　　本論文主要圍繞基于不同碳前軀體的富含雜原子表面官能團(tuán)的碳材料的可控合成，及其用于超級電容器電極的性能等方面進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究。實(shí)驗(yàn)采

2、用簡單的碳材料合成工藝，實(shí)現(xiàn)了對碳材料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控和表面摻雜改性。所得材料經(jīng)氮?dú)馕摳綔y試、二氧化碳吸脫附測試、掃描電鏡(SEM)、拉曼光譜、X-ray光電子能譜(XPS)、元素分析(EA)等現(xiàn)代表征手段進(jìn)行分析，并采用一系列電化學(xué)測試方法，包括循環(huán)伏安法、恒流充放電法、交流阻抗法、拓展電位窗口測試對各種材料所組成的超級電容器的電化學(xué)性能（簡稱超電容性能）進(jìn)行分析研究，并將材料的物化性質(zhì)與所制備的超級電容器的超電容性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，得

3、出了很多有啟發(fā)意義的結(jié)果。本論文的工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　第三章以磷酸為活化劑和磷源、以廢棄物咖啡渣為碳前驅(qū)體通過改變磷酸的浸漬比制備了一系列含磷的碳材料(PCs)，并考察了將其用作超級電容器電極材料的電化學(xué)性能?？捉Y(jié)構(gòu)測試和XPS結(jié)果表明，活化過程不但形成了微/介孔結(jié)構(gòu)而且在碳材料的表面引入了大量的磷、氧官能團(tuán)。在1 M H2SO4電解液中的電化學(xué)測試表明，含磷較多的PC-2碳材料（磷酸浸漬比為2）在5Ag-1的電流密度

4、和1.5V的電位窗口下性能比較穩(wěn)定，在經(jīng)過連續(xù)的10000次循環(huán)后比電容保持率可達(dá)82％。由于較寬的電位窗口，PC-2組裝的電容器在75W·kg-1的功率密度下具有15Wh·kg-1的能量密度。電位操作窗口遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)電壓窗口(0～1.0V)可能是由于碳材料的孔結(jié)構(gòu)中存在可逆性的電化學(xué)儲氫和表面含磷官能團(tuán)對氧化反應(yīng)的抑制作用造成的。此外，以優(yōu)化后的碳材料批量制備了模擬超級電容器單元(20cm×10cm)，并初步測試了電容器單元組的電化學(xué)

5、性能。
　　第四章采用以木質(zhì)纖維素為主的廢棄生物質(zhì)—果核為前驅(qū)體，經(jīng)過在不同溫度下磷酸活化制備得到了一系列富含磷和氧的碳材料，并研究了此類碳材料在1M H2SO4電解液中的超級電容器性能。通過循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗和拓展電位窗口測試對碳電極的電化學(xué)性能進(jìn)行了評估。此外，還采用線性回歸分析進(jìn)一步確定了此類碳材料制備的超級電容器的最高電位操作窗口。測試結(jié)果表明，具有較高磷含量和微孔/介孔分布適中的樣品在1.5V電壓窗口和0.1

6、Ag-1電流密度下的質(zhì)量比電容為165Fg-1，在75W·kg-1的功率密度下能量密度可達(dá)13Wh·kg-1。而且在1.0V的操作窗口下，經(jīng)過20000次循環(huán)后仍能保持99％的初始比電容量。
　　第五章以4，4'-雙馬來酰亞胺二苯基甲烷和二乙烯基苯為共聚單體，通過懸浮聚合法制備了雙馬來酰亞胺二苯基甲烷-二乙烯基苯共聚物（簡稱聚酰亞胺）。以此共聚物為碳前驅(qū)體，在不同溫度下經(jīng)磷酸活化制備得到了一系列磷、氧、氮共摻雜的碳材料。測試結(jié)果表

7、明，在800℃下經(jīng)磷酸活化聚酰亞胺得到的多孔碳(P800)在1M H2SO4電解液中具有最好的電化學(xué)性能，盡管它的比表面積很?。?95m2·g-1），但在0.05Ag-1電流密度下其比電容高達(dá)157Fg-1，由于含磷官能團(tuán)的存在，P800組裝的電容器在1.5V的操作電壓和75W·kg-1的功率密度下，P800的能量密度可達(dá)12Wh·kg-1，而且其循環(huán)性能優(yōu)異，經(jīng)10000次循環(huán)后在5Ag-1下保持84％的比電容。這是由于其表面含有合適

8、比例的雜原子（磷、氮和氧原子）有關(guān)，因?yàn)榈脱蹼s原子能夠貢獻(xiàn)部分贗電容，而磷原子的存在可以抑制副反應(yīng)的發(fā)生，有利于保持超級電容器的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　第六章考察了具有非常相似的孔結(jié)構(gòu)但不同的表面化學(xué)性質(zhì)的四種多孔碳在1MH2SO4電解液中的超電容性能。重點(diǎn)研究了在三電極電化學(xué)測試前后磷、氧、氮官能團(tuán)的變化，以及這些變化對兩電極體系超級電容器的儲能影響。研究結(jié)果表明，以這四種碳材料制備的超級電容器的比電容在三電極測試后都得到了不同程度