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碳化钙骨架碳电极材料的制备、活化及其超级电容特性研究

作　者: 吴昊
导　师: 王先友
学　校: 湘潭大学
专　业: 化学工程
关键词: 碳化物骨架碳 活化处理 超级电容器 比电容 循环寿命
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


超级电容器是一种集传统电容器和电池优点于一身的新型能量储存设备和转换装置，也被称为超电容器、电化学电容器（ECs）或赝电容器。由于该装置具有充放电速度快、循环寿命长、内阻低和功率密度高等特点，从而成为了新能源领域的热点。众所周知，高性能超级电容器发展的关键是电极材料，就目前该领域的研究状况而言，大比表面积多孔碳材料在超级电容器电极材料中应用最为广泛。而碳化物骨架碳（CDCs）由于其制备工艺简单，比表面积大、孔径可调等众多优点受到了关注。本论文以自制的新鲜氯气为刻蚀剂、碳化钙为碳源，合成了多孔碳化钙骨架碳材料（CCDCs）。探讨了合成温度、活化方法和水系电解液条件对于该材料的物理化学性能的影响，并讨论其作为超级电容器电极材料的电化学特性。改变刻蚀温度，在400-800oC范围内制备了三种多孔碳材料。采用TEM、XRD等测试手段察了CCDCs的形貌，用氮气吸/脱附等温线研究了CCDCs的比表面积和孔径分布。测试结果表明，采用新鲜氯气制备的CCDCs含有微孔-介孔组合的微观结构。当制备温度为600oC时，所得到的CCDCs（记作CCDCs-600）显示出最大的孔容（0.645cm3g-（1））和比表面积(652.8m2g-1)。然后，用6M KOH作为电解液进行电化学测试，发现在扫描速率为1mV s-1下时，CCDCs超级电容器比电容达到53.6F g-1。将新制备的碳化钙骨架碳材料用H3PO4、ZnCl2和KOH三种活化剂进行化学活化，进而讨论不同活化处理方式对碳材料的物理特性及其电化学性能影响。发现活化处理在一定程度上能增加碳材料的比表面积，改善材料的孔径，因而使得碳材料的电化学性能相对于未经处理的碳材料有一定的提高。尤其是采用KOH活化的碳材料，在测试中表现出最佳电化学性能。采用KOH活化制备的碳材料（CCDC-KOH）组装成对称型超级电容器，测试了其在6M KOH，1M KNO3，0.5M K2SO4和2M KCl电解液中的电化学性能。结果发现：经过KOH活化的碳化钙骨架碳超级电容器在6M KOH电解液中表现出了最佳电化学性能。循环寿命测试结果也表明，活化处理后的CCDC-KOH超级电容器在各种不同水系电解液（电压范围为01V）中都表现出优良的循环稳定性，其中在6M KOH电解液中的稳定性尤其突出，循环5000次后容量基本上保持不变。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-27
  1.1 引言  10-11
  1.2 概述  11-17
    1.2.1 超级电容器的分类  11
    1.2.2 双电层电容器  11-13
    1.2.3 超级电容器的主要特点  13-14
    1.2.4 超级电容器的发展历程和应用前景  14-17
  1.3 超级电容器电极材料研究进展  17-22
    1.3.1 碳材料  18-20
    1.3.2 金属氧化物  20-21
    1.3.3 导电聚合物  21
    1.3.4 复合材料  21-22
  1.4 碳材料的活化改性  22-23
  1.5 超级电容器电解液  23-24
    1.5.1 水系电解液  23
    1.5.2 有机电解液  23-24
    1.5.3 离子流体电解液  24
  1.6 碳化物骨架碳材料的发展  24-25
  1.7 本文的研究意义以及主要研究内容  25-27
    1.7.1 研究意义  25-26
    1.7.2 课题主要研究内容  26-27
第2章 研究所用的仪器药品及测试方法  27-36
  2.1 引言  27
  2.2 实验主要仪器和药品  27-28
  2.3 材料物理表征方法及原理  28-30
    2.3.1 X-射线衍射分析法  28-29
    2.3.2 比表面积与孔径分析法  29-30
    2.3.4 场发射透射电镜分析法  30
  2.4 材料电化学性能测试方法以及原理  30-35
    2.4.1 循环伏安测试法  30-32
    2.4.2 交流阻抗测试法  32-34
    2.4.3 恒流充放电测试法  34
    2.4.4 循环寿命测试法  34-35
  2.5 超级电容器电极制备及设备组装  35-36
第3章 制备条件对 CCDCs 物理化学和电化学性能的影响  36-46
  3.1 引言  36
  3.2 CCDCs 的制备  36-37
  3.3 CCDCs 物理化学表征及分析  37-39
    3.3.1 CCDCs 表面形貌分析  37-38
    3.3.2 比表面积以及孔径分析  38-39
  3.4 CCDCs 材料电化学表征及其结果分析  39-44
    3.4.1 循环伏安测试  39-40
    3.4.2 恒流充放电测试  40-42
    3.4.3 交流阻抗测试  42-44
    3.4.4 循环寿命测试  44
  3.5 本章小结  44-46
第4章 活化方式对 CCDCs 结构和电化学性能的影响  46-54
  4.1 引言  46
  4.2 活化 CCDCs 材料的制备  46-47
    4.2.1 H_3PO_4活化  46
    4.2.2 ZnCl_2活化  46-47
    4.2.3 KOH 活化  47
  4.3 活化 CCDCs 物理表征及分析  47-49
    4.3.1 比表面积以及孔径分析  47-48
    4.3.2 活化 CCDCs 表面形貌分析  48-49
  4.4 活化 CCDCs 超级电容器电化学性能测试及讨论  49-53
    4.4.1 循环伏安测试  49-51
    4.4.2 恒电流充放电测试  51-52
    4.4.3 循环寿命测试  52-53
  4.5 本章小结  53-54
第5章 以活化 CCDCs 为电极的超级电容器在水系电解液中的电化学性能研究  54-62
  5.1 引言  54
  5.2 材料表征与相关电化学性能分析  54-61
    5.2.1 循环伏安测试  54-57
    5.2.2 恒流充放电测试  57-59
    5.2.3 交流阻抗测试  59-60
    5.2.4 循环寿命测试  60-61
  5.3 本章小结  61-62
第6章 研究结论及展望  62-64
  6.1 结论  62-63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-70
致谢  70-71
本人于攻读硕士期间所公开发表的论文  71-72
个人简历  72

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