碳基復合電極材料的制備及其在超級電容器中的應用研究.pdf

1、超級電容器，作為一種新型的電能存儲器件，具有高功率密度、優(yōu)異的穩(wěn)定性、快速充放電功能以及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，在電子、通信、交通、電力、工業(yè)節(jié)能、國防等許多領域具有重要的應用價值和巨大的市場潛力。電極材料是超級電容器的關鍵組成部分，常見的超級電容器電極材料包括碳材料、過渡金屬氧化物和導電聚合物等。碳材料主要呈現雙電層電容特性，具有優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性，符合實際應用中對器件壽命的高要求，但是比電容相對較低。過渡金屬氧化物和導電聚合物主要呈

2、現贗電容特性，依賴可逆的化學吸附/脫附或氧化還原反應來儲存電荷，雖然具有較高的比電容，但是電容循環(huán)穩(wěn)定性較差。這些電極材料既有各自的優(yōu)勢，又有其不足。因此，對電極材料的研究并非僅限于單一組分材料，復合材料往往可以呈現出更加出色的電化學性能。碳基復合電極材料因其原料豐富、價格低廉、制備工藝簡單且性能優(yōu)異而倍受關注。本論文對碳基復合電極材料的制備、電化學性能及其在超級電容器中的應用進行了研究，主要研究內容如下:
　　一、氮摻雜多孔炭的

3、制備及其電容性能研究
　　以天然產物為碳源，三聚氰胺為氮源，經碳化和氫氧化鉀(KOH)高溫活化后得到氮摻雜多孔炭(NPC)。在800℃下活化所得的NPC-800呈現多孔狀的微觀形貌，氮元素含量達到6.45 wt％，主要以吡啶氮和吡咯氮的形式存在。將NPC作為活性材料制各成電極并組裝成對稱型超級電容器。在兩電極體系下，以6 mol L-1 KOH為電解液，通過恒電流充放電(GCD)和循環(huán)伏安(CV)測試表明:電流密度為0.1Ag-1

4、時，NPC-800所組裝的超級電容器的比電容值達到145 F g-1，而且當功率密度為50 W kg-1時，能量密度可達到20 Wh kg-1。經過1000次循環(huán)充放電后，其比電容仍然能保持96.9％，庫侖效率穩(wěn)定在99％，以上結果表明NPC具有優(yōu)良的電容特性和循環(huán)穩(wěn)定性，適用于超級電容器電極材料。
　　二、氧化石墨烯/聚吡咯二元復合材料的合成及其電容性能研究
　　采用改進的Hummers法制得氧化石墨烯(GO)，再采用原位

5、聚合法合成氧化石墨烯/聚吡咯(GO/PPy)二元復合材料。掃描電子顯微鏡(SEM)表征可知該二元復合材料呈現褶皺的納米片層形貌，這是由于PPy通過π-π堆疊、氫鍵和靜電等相互作用從而在GO表面形成一層致密的覆蓋層。在三電極系統(tǒng)中進行GCD和CV測試，結果表明在0.5Ag-1的電流密度下，GO/PPy的比電容值達到468 F g-1，高于單一PPy電極的比電容值(267 F g-1)。而且，由于GO與PPy之問的協(xié)同效應，GO/PPy的倍

6、率性能和循環(huán)穩(wěn)定性也都得到了顯著的提升。由此可見，PPy與GO復合以后所得GO/PPy二元復合物的電容性能得到了增強。
　　三、氧化石墨烯/碳量子點/聚吡咯三元復合材料的合成及其電容性能研究
　　分別采用微波輔助熱解法、水熱法以及原位聚合法合成了碳量子點(CDs)、氧化石墨烯/碳量子點(GO/CDs)二元復合物和氧化石墨烯/碳量子點/聚吡咯(GO/CDs/PPy)三元復合物。通過在GO納米片與PPy層之間引入CDs可以提升三

7、元復合材料的電子傳輸并降低電極的內部電阻以及電荷傳輸電阻。此外，具有高比表面積的CDs可以增強GO、CDs以及PPy三者之間的界面性能從而增大三元復合材料的介電常數。在0.5Ag-1的電流密度下，GO/CDs/PPy呈現出576Fg-1的比電容，將其組裝成對稱型超級電容器，在250 Wkg-1的功率密度下可獲得的最大能量密度為30.1 Wh kg-1。更重要的是，三元復合物經過5000次充放電后仍具有較高的比電容，表現出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性