论文部分内容阅读
超级电容器,也称之为双电层电容器或电化学电容器,是一种可快速充/放电的能源存储设备。和传统电容器、电池相比,超级电容器分别具有更高的能量密度和功率密度。现如今的超级电容器的比能量和功率都有较好的提高,高比容、低内阻的超级电容作为储能装置已具有很强的优势,也在生产生活中有了更高的应用价值。具有高比表面积和发达孔洞结构的碳材料,以其优异的化学/电化学稳定性能而备受研究人员关注。本论文通过设计和采用高温活化碳化的方法制备具有高比表面积和发大孔结构的碳基电极材料,配以适当的电解质溶液构筑新型对称/不对称超级电容器,主要研究内容如下:1.以鸡腿菇生物质材料为原料,采用氯化锌作为化学活化剂,尿素作为氮源制备了具有相互连通的多孔框架结构碳材料(N-ACC),该特殊连通结构能有效地加快电子及电解液离子在电极/电解质界面的转移。N-ACC材料作为超级电容器的电极材料其比电容在电流密度为1 Ag-1可以达到346 Fg-1,并且倍率性能优异(在10 Ag-1条件下电容保持率达75%)。此外,基于N-ACC材料组装的对称超级电容器在810 W kg-1的功率密度下,能量密度可达到14.63 Wh kg-1。以上结果表明鸡腿菇为原料制备的多孔碳材料N-ACC在能源存储的应用中具有潜在的应用价值。2.以羧甲基纤维素为碳源,CaCl2作为活化剂,尿素作为氮源,在不同碳化温度下制备具有网状结构多孔碳材料N-CNP-X。经测试N-CNP-750材料在电流密度为0.5 Ag-1时具有最高的比电容达173 Fg-1。将在750℃下得到的碳化产物N-CNP-750作为电极材料,在1 M KOH电解质中加入不同含量的活性电解质对苯二胺(PPD)以提高电极材料的电化学性能。当加入0.001 mol PPD时比电容值为488.4 Fg-1,相较于空白样(N-CNP-750)其比电容提升约4倍;当采用1 M H2SO4作为电解质时,加入0.001 mol PPD时其比电容值为288.0 Fg-1,比电容提升约62.9%;而采用0.5 M Na2SO4为电解质时,加入0.001 mol PPD时其比电容值为104.1 Fg-1,比电容提升约50.4%。此外,基于N-CNP-750材料构筑的对称超级电容器在加入0.001 mol PPD的KOH电解液中,功率密度为639.9 W kg-1时能量密度为25.74 Wh kg-1。结果表明,采用添加氧化还原活性物质的简单方法可以有效提升碳电极材料的比电容值。3.通过两步简单的水热合成法制备得到具有交叉花状纳米片层结构的Bi2MoO6电极材料,具有丰富的孔结构,高的表面积(40.65 m2 g-1)。大量的纳米孔结构以及丰富的电解液渗透通道使得Bi2MoO6具有优异的电化学性能,例如在2 M KOH碱性电解质溶液中,当电流密度为0.5 Ag-1时其比电容为290.4 Fg-1;在电流密度为3 Ag-1下进行的1500次恒电流充/放电循环测试后其比电容值仍然能够保留初始电容值的76%。此外,以Bi2MoO6作为负极,N-CNP-750作为正极组装成N-CNP-750//Bi2MoO6不对称电容器,在功率密度为639.7W kg-1下该不对称电容器的能量密度达17.2 Wh kg-1,当功率密度增大到6400 W kg-1时,其能量密度仍旧有8.89 Wh kg-1。测试结果表明,具有交叉花状纳米片层结构的Bi2MoO6电极材料具有高的比电容,良好的电容保留能力让我们相信,这种低成本的电极材料有望作为一种新型的超级电容器电极材料。