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超级电容器多孔炭电极材料的制备及电化学性能研究

作　者: 李文
导　师: 刘恩辉
学　校: 湘潭大学
专　业: 应用化学
关键词: 超级电容器炭柠檬酸表面活性剂水热法电化学阻抗谱
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超级电容器作为一种新型储能器件,具有对环境无污染、高能量密度、高功率密度、瞬间释放大电流、高充放电效率、长循环寿命和宽使用温度范围等特点。超级电容器在电力、铁路、绿色能源、军品、航空航天领域的各种快速大功率启动系统、无人值守与移动能源系统、后备电源系统等方面都有极其重要的应用价值。超级电容器广泛的应用前景和潜在的巨大商业价值引起了各国政府和众多研究者的关注。超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料和电极的制备上。以柠檬酸制备的多孔炭材料作为超级电容器电极材料,采用了循环伏安、恒流充放电、交流阻抗、X射线衍射、扫描电镜、差热等测试手段,对其进行结构表征和电化学性能测试。通过这些研究工作,得到以下结论:以柠檬酸为碳源,磷酸铝为模板制备出了多孔炭材料,研究发现该材料的循环可逆性、导电性和比容量都较好,适合做超级电容器电极材料。进一步研究了以柠檬酸与蔗糖、柠檬酸与糠醇、柠檬酸与糠醛为混合碳源所制备的炭材料。测试结果表明:由柠檬酸与蔗糖为混合碳源制备的炭材料,其比容量达到90F/g,比柠檬酸与糠醇和柠檬酸与糠醛为混合碳源所制备的炭材料比容量都要高。在柠檬酸体系中添加表面活性剂,当柠檬酸为单一碳源时其最佳制备条件:柠檬酸:CTAB的摩尔比率为1:0.001,炭化温度为800℃,炭化时间3h。其所制备的炭材料在5mv/s的扫描速率时得到比电容值为130F/g。当以柠檬酸与蔗糖混合作为碳源时的最佳条件:柠檬酸:蔗糖:CTAB的摩尔比率为0.5:0.5:0.002,炭化温度为800℃,炭化时间3h,其所制备的炭材料经测试在5mv/s的扫描速率时得到比电容值为132F/g。加入表面活性剂后,制备的碳材料有较好的循环特性、较好的导电性、较高的比容量,更适合做超级电容器电极材料。在水热环境下柠檬酸体系中制备的多孔炭材料的最佳条件:柠檬酸和蔗糖作为混合碳源,凝胶时间为18h,高压反应时间24h,反应温度150℃,炭化温度为800℃,炭化时间为3h。其在5mv/s的扫描速率时得到最大比电容值为155F/g。并通过对比试验,说明了除掉磷酸铝模板时应在炭化后而不是在炭化前。这是由于在高温炭化过程中不存在起模板作用的磷酸铝,导致难以形成完整的孔隙结构,使得比容量下降很大,由此进一步证明磷酸铝在本研究体系中所起的作用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章文献综述  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 超级电容器的用途  10-12
  1.3 超级电容器的发展历史  12-13
  1.4 超级电容器的基本结构  13-15
    1.4.1 电极材料  13
    1.4.2 电解液  13-14
    1.4.3 集电极  14-15
    1.4.4 隔离膜  15
  1.5 超级电容器的分类  15-17
    1.5.1 双电层电容器的工作原理  15-16
    1.5.2 基于金属氧化物的法拉第准电容的工作原理  16
    1.5.3 基于导电聚合物的法拉第准电容的工作原理  16-17
    1.5.4 混合电容器的工作原理  17
  1.6 超级电容器炭电极材料的研究进展  17-22
    1.6.1 多孔炭材料  17-18
    1.6.2 中孔炭材料  18-20
    1.6.3 活性炭粉末  20-21
    1.6.4 活性炭纤维  21
    1.6.5 炭气凝胶  21
    1.6.6 碳纳米管  21-22
  1.7 超级电容器的研究现状  22
  1.8 本论文的研究内容和思路  22-24
第二章实验方法及原理  24-34
  2.1 主要原材料及仪器设备  24-25
    2.1.1 主要化学试剂及原材料  24
    2.1.2 主要实验设备仪器  24-25
  2.2 材料的电化学性能表征  25-32
    2.2.1 电极的制备与电容器的组装  25-26
      2.2.1.1 电极的制备  25-26
      2.2.1.2 二电极实验电容器的组装  26
    2.2.2 超级电容器电化学性能测试方法和原理  26-32
      2.2.2.1 循环伏安测试方法和原理  28-30
      2.2.2.2 循环伏安法的应用  30-31
      2.2.2.3 恒流充放电测试方法和原理  31
      2.2.2.4 恒流充放电方法的应用  31-32
      2.2.2.5 电化学阻抗谱法  32
  2.3 材料的结构分析及表征  32-34
    2.3.1 X 射线衍射分析(XRD)  32
    2.3.2 扫描电镜分析(SEM)  32-33
    2.3.3 热分析(TG/DSC)  33
    2.3.4 比表面积测试(BET)  33-34
第三章柠檬酸体系合成多孔炭  34-41
  3.1 引言  34
  3.2 实验部分  34-35
    3.2.1 样品的制备  34-35
    3.2.2 电极的制备  35
  3.3 结果与讨论  35-40
    3.3.1 不同碳源制备的多孔炭的比容量  35-36
    3.3.2 样品的X 射线衍射  36
    3.3.3 样品的电化学性能测试  36-40
      3.3.3.1 循环伏安测试  36-37
      3.3.3.2 恒流充放电测试  37-38
      3.3.3.3 交流阻抗测试  38-39
      3.3.3.4 不同充放电电流对等效串联电阻的影响  39
      3.3.3.5 样品的循环寿命测试  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章表面活性剂存在下柠檬酸体系中炭材料的制备  41-47
  4.1 引言  41
  4.2 实验部分  41-42
    4.2.1 样品的制备  41
    4.2.2 电极的制备  41-42
  4.3 结果与讨论  42-46
    4.3.1 不同条件下的多孔炭的比容量  42
    4.3.2 样品的比表面积和孔径分布测试  42-43
    4.3.3 样品的电化学性能测试  43-46
      4.3.3.1 循环伏安测试  43-44
      4.3.3.2 恒流充放电测试  44-45
      4.3.3.3 交流阻抗测试  45-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章水热条件下柠檬酸体系中制备多孔炭材料  47-57
  5.1 引言  47
  5.2 实验部分  47-50
    5.2.1 样品的制备  47-48
    5.2.2 电极的制备  48
    5.2.3 炭前躯体制备条件的确定  48-49
    5.2.4 炭化温度的确定  49-50
      5.2.4.1 样品在不同炭化温度下的比容量  49-50
      5.2.4.2 样品在不同电流密度下的比容量  50
  5.3 结果与讨论  50-54
    5.3.1 样品的热分析  50-51
    5.3.2 样品的SEM 分析  51
    5.3.3 样品的比表面积和孔径分布测试  51-52
    5.3.4 样品的电化学性能测试  52-54
      5.3.4.1 循环伏安测试  52
      5.3.4.2 恒流充放电测试  52-53
      5.3.4.3 交流阻抗测试  53-54
  5.4 不同阶段脱去磷酸铝模板对电化学性能的影响  54-56
    5.4.1 循环伏安测试  54-55
    5.4.2 恒流充放电测试  55-56
  5.5 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-64
致谢  64-65
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  65

超级电容器多孔炭电极材料的制备及电化学性能研究

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