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超级电容器炭电极材料的制备和应用研究

作　者: 程庚金生
导　师: 胡中华
学　校: 同济大学
专　业: 分析化学
关键词: 活性炭 物理-化学活化 炭电极 双电层电容器 体积比电容
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


超级电容器（Supercapcitor）是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能器件，在国防和民用领域有广泛的应用。电极是决定超级电容器性能的主要因素，因而高性能电极材料的研究一直是该领域的热点（炭电极构成的超级电容器也称为双电层电容器，Electric double layer capacitor，EDLC）。炭材料来源广泛，价格低廉，性能稳定，易产业化，因而同时受到了学术和工业界的极大关注。本课题的目的是制备低成本、高性能的多孔炭电极材料，并应用于超级电容器，研究炭材料性质与超级电容器性能的相关性。用自动氮吸附法研究了炭材料的比表面积、孔径和孔径分布，用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等电化学方法研究了炭电极电容器的比容量、循环充放电、内电阻、漏电流等性能。本论文主要做了以下几方面的工作：以普通木炭为原材料，采用同步ZnCl2-CO2物理化学活化法制备活性炭。根据炭样品在77K时的氮吸附-脱附等温线，用BET方程、t-图和BJH法分析计算比表面积和孔径、孔径分布等，制备得到活性炭的比表面积为400～800m2／g，平均孔径为2nm左右，在中孔范围3～5.3nm处有一明显的孔分布。制备炭电极，以KOH溶液为电解液，并组装构成双电极三明治型双电层电容器，通过恒流充放电、循环伏安等电化学研究，发现木炭基活性炭样的平均等效串联内阻约为0.3～0.50，漏电流为300～600μA，电容器充放电效率高、稳定性好、具有良好的充放电性能，炭材料适于做超级电容器电极材料。为了探索制备活性炭的最佳条件，设计了L34正交实验，分析研究制备条件与炭样电化学性能的相关性。结果表明最佳实验条件为：炭／ZnCl2质量比为1：1，在800℃下活化3个小时制备活性炭样，压制集流体时压力为10MPa。此条件下制备的电容器在10mA放电时时炭材料的质量比电容达183F／g，80mA达163F／g，漏电流为283μA，平均等效串联内阻为0.40，充放电效率为98％。循环充放电寿命是电容器的一个重要性能指标，对木炭基活性炭为电极的电容器循环寿命测试结果表明，该炭材料在40mA恒电流下充放电10000次，其比电容保持率高达83％左右，性能良好。以椰壳为炭源，用同样的方法制备得到活性炭孔径呈多峰分布，质量比电容随着活化剂用量的增大而增大，当C／ZnCl2质量比为2:5时，所得炭样的电化学性能最好，在5mA充放电时其质量比电容达260F／g，80mA充放电时其质量比电容达153F／g。椰壳基活性炭材料的体积比电容、面积比电容大，更具有实际应用的价值，其中CZ25炭样分别为172F／cm3、42.2μF／cm2。不足之处在于漏电流较大，等效串联内阻偏大，有待于进一步研究与改进。为了提高功率密度和能量密度，用分解电压更高的有机电解液代替KOH溶液，试制、研究了有机电解液超级电容器。研究发现无纺布适于做有机电解液体系超级电容器的隔膜材料，增大电解液浓度有利于提高比电容。自制炭样CZ134在1.0mol／L MeEt3NBF4/PC（四氟硼酸一甲基三乙基铵的碳酸丙烯酯溶液）电解液中，8mA放电时质量比电容达133.8F／g，等效串联内阻为6.4O，能量密度达25 W·h／kg以上，且随放电电流变化较小，适于不同功率下放电，有较好的应用前景。炭材料在MeEt3NBF4／PC有机电解液电容器中的比电容与比表面积、孔容之间有一定的相关性，研究发现质量比电容随着外比表面积的增大而规律地增大，随着中孔孔容的增大而增大，但与总比表面积和总孔容没有必然的相关性。这对超级电容器用活性炭材料的研究与开发具有理论指导意义。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章 概述  14-29
  1.1 超级电容器简介  14-21
    1.1.1 超级电容器的工作原理  14-16
    1.1.2 超级电容器的特点  16-17
    1.1.3 超级电容器的分类  17-18
      1.1.3.1 按电极材料分类  17
      1.1.3.2 按储能机理分类  17
      1.1.3.3 按结构及电极反应分类  17-18
    1.1.4 超级电容器的性能指标及研究方法  18-19
      1.1.4.1 主要性能指标  18
      1.1.4.2 研究方法  18-19
    1.1.5 超级电容器的应用  19-21
  1.2 超级电容器的研究进展  21-26
    1.2.1 电极材料的研究进展  21-24
      1.2.1.1 炭材料  21-24
      1.2.1.2 金属氧化物  24
      1.2.1.3 导电聚合物  24
    1.2.2 电解液的研究进展  24-26
    1.2.3 制备工艺研究进展  26
  1.3 本课题的学术构想及研究内容  26-29
    1.3.1 学术构想  26-27
    1.3.2 本课题的目的和意义  27
    1.3.3 主要研究内容  27-29
第二章 实验方法及仪器设备、试剂  29-34
  2.1 实验材料和试剂  29-30
    2.1.1 炭材料  29
    2.1.2 化学试剂  29-30
    2.1.3 组装电容器所用材料  30
  2.2 主要仪器和设备  30-31
  2.3 实验方法  31-32
    2.3.1 活性炭样的制备及表征  31
    2.3.2 活性炭电极的制作  31
    2.3.3 电容器的装配  31
    2.3.4 电容器性能测试  31-32
  2.4 电容器性能参数计算依据  32-34
    2.4.1 比电容  32-33
    2.4.2 其它性能参数  33-34
第三章 木炭基活性炭超级电容器的研究  34-54
  3.1 实验部分  34-36
    3.1.1 木炭的预处理  34
    3.1.2 炭材料制备和电容器制作正交实验表设计  34-35
    3.1.3 活性炭样的制备与自动氮吸附法表征  35-36
    3.1.4 电极制作、电容器组装与测试  36
  3.2 结果与讨论  36-52
    3.2.1 炭材料的比表面积和孔结构参数  36-39
      3.2.1.1 吸附-脱附等温线  36-37
      3.2.1.2 比表面积和孔容  37-38
      3.2.1.3 孔径分布  38-39
    3.2.2 制备条件对炭材料性能的影响  39-40
      3.2.2.1 对BET比表面积的影响  39-40
      3.2.2.2 对炭材料收率的影响  40
    3.2.3 炭材料的电化学性能  40-50
      3.2.3.1 电容器的恒流充放电性能  40-41
      3.2.3.2 制备条件对比电容的影响  41-46
      3.2.3.3 等效串联内阻及库仑效率分析  46
      3.2.3.4 循环伏安特性研究  46-49
      3.2.3.5 漏电流的分析  49-50
    3.2.4 最优化制备条件  50-51
    3.2.5 EDLC循环充放电稳定性  51-52
  3.3 主要结论  52-54
第四章 椰壳基活性炭超电容器的性能研究  54-67
  4.1 实验部分  54
    4.1.1 椰壳活性炭的制备与表征  54
    4.1.2 炭电极制作和电容器的组装及测试  54
  4.2 结果与讨论  54-65
    4.2.1 炭材料的比表面积和孔结构参数  54-56
    4.2.2 炭材料的电化学性能  56-65
      4.2.2.1 恒流充放电性能  56-57
      4.2.2.2 比电容  57-59
      4.2.2.3 等效串联内阻及库仑效率  59-60
      4.2.2.4 循环伏安特性  60-62
      4.2.2.5 漏电流  62-63
      4.2.2.6 比表面积及孔分布对比电容的影响  63-65
  4.3 主要结论  65-67
第五章 有机电解液超级电容器的制备及性能研究  67-82
  5.1 实验部分  67-68
    5.1.1 集流体的选择与制作  67
    5.1.2 电解质溶液的选择与配制  67-68
      5.1.2.1 电解质体系的选择  67-68
      5.1.2.2 Et_4NBF_4/PC溶液的配制  68
    5.1.3 电极制备和电容器组装  68
    5.1.4 电容器的测试  68
  5.2 结果与讨论  68-81
    5.2.1 隔膜材料的影响  68-69
    5.2.2 电解质溶液的影响  69-71
      5.2.2.1 电解液浓度的影响  69-70
      5.2.2.2 电解质种类的影响  70-71
    5.2.3 自制活性炭样与商品活性炭性能的比较  71-77
      5.2.3.1 炭样吸附曲线及比表面积参数的比较  71-73
      5.2.3.2 质量比电容  73
      5.2.3.3 循环伏安性能分析  73-74
      5.2.3.4 漏电流分析  74-75
      5.2.3.5 交流阻抗分析  75-76
      5.2.3.6 功率密度和能量密度的比较  76-77
    5.2.4 比表面积及孔分布对比电容的影响  77-81
      5.2.4.1 所选炭样的比表面积及孔容参数分析  77-78
      5.2.4.2 炭样的质量比电容  78-79
      5.2.4.3 比表面积对质量比电容的影响  79-80
      5.2.4.4 孔容与质量比电容的关系  80-81
  5.3 结论  81-82
第六章 结论与展望  82-84
  6.1 结论  82-83
  6.2 建议与展望  83-84
致谢  84-85
参考文献  85-88
个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果  88

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 电容器
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