碳基電化學電容器電極材料的制備及其性能研究.pdf

1、電化學電容器作為一種新型的儲能設備,具有功率密度高、使用壽命長、維護費用低、對環(huán)境污染小等特點,被廣泛應用于各個領(lǐng)域。電極材料是電化學電容器中最為關(guān)鍵的部分,也是決定其性能的主要因素,因此開發(fā)具有優(yōu)異性能的電極材料是電化學電容器研究中的核心課題。本論文以研制價格低廉、高功率密度、高能量密度的電化學電容器用電極材料為目的,基于炭材料、導電聚合物等電極材料各自的性質(zhì),采用不同的方法制備出各種碳基電極材料,并通過經(jīng)典的材料表征技術(shù)和電化學方法

2、考察了電極材料的表面形貌和結(jié)構(gòu)以及電極材料的電化學電容性能。本論文的主要工作如下:
　　(1)利用吡咯為碳源和氮源,以SiO2為模板,通過水熱反應制得聚吡咯球,經(jīng)高溫炭化后得到粒徑分布均一的氮摻雜空心碳球(N-HCS)。采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射技術(shù)和ASAP2020比表面分析儀對其進行了表征,并在1 M H2SO4溶液中通過循環(huán)伏安法和計時電位法考察了其電化學電容性能。結(jié)果表明:N-HCS的比表面積為759

3、m2 g-1,平均粒徑為370 nm,壁厚約為15 nm。N-HCS修飾電極在0.2 A g-1電流密度下比電容值為345.2 F g-1。而且N-HCS表現(xiàn)出良好的功率性能,當掃描速度從10 mV s-1增加至1000 mV s-1,比電容僅下降了22.9%。此外,N-HCS具有優(yōu)異的長時間充放電循環(huán)穩(wěn)定性,在10 Ag-1的高電流密度下連續(xù)充放電1500次后比電容保持率為98.1%。
　　(2)以N-HCS為支撐骨架,采用化學

4、氧化聚合法將聚苯胺納米刺生長在N-HCS表面,制備出聚苯胺納米刺/摻氮空心碳球復合材料(PAHS)。PAHS的形貌和結(jié)構(gòu)分別用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜進行表征,其在1 M H2SO4溶液中的電化學電容性能通過循環(huán)伏安法、計時電位法和交流阻抗技術(shù)進行考察。結(jié)果表明:刺狀納米聚苯胺的特殊形貌有利于提高活性物質(zhì)的利用率,N-HCS骨架可以提升聚苯胺的長時間循環(huán)穩(wěn)定性。PAHS復合材料在0.5 Ag-1電流密度下的比電

5、容為364 F g-1,比每一種單一組分的都要高。此外,PAHS電極材料表現(xiàn)出較好的功率性能,當電流密度增加到20 A g-1時,比電容值達240 F g-1,其電容保持率為66%。
　　(3)在高溫氮氣氣氛下以多孔鋁配位聚合物(A1-PCP)為碳源,不使用致孔劑,不通過化學活化,采用簡單的一步直接炭化法制備出活性炭材料。所制備的多孔炭材料的形貌和結(jié)構(gòu)分別采用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射技術(shù)和ASAP2020比表面分

6、析儀進行表征,其在1 M H2SO4溶液中的電化學電容性能采用循環(huán)伏安和法計時電位法進行研究,并考察了燒結(jié)溫度對材料電容性能的影響。結(jié)果表明:所制備的多孔炭材料的比表面積為1979 m2 g-1,總孔容為1.29 cm3 g-1,孔徑主要集中在4～9 nm。其在0.5 A g-1電流密度下的比電容為373.5F g-1。所制備的多孔材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的功率性能:當掃描速度從5 mV s-1提高到200 mV s-1,其質(zhì)量比電容從266.