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《清华大学》 2011年
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高能量密度超级电容器的电极材料研究

翟登云  
【摘要】:超级电容器是具有高功率密度的二次储能器件,但相对于锂离子电池,其较低的能量密度成为制约其进一步应用的瓶颈,而电极材料是提高其能量密度的关键之一。本文通过调节活性炭的微观结构和孔分布来提高其比电容,深入研究了二氧化锰的电荷存储机理并进行定量计算,通过静电吸附原理制备出性能较好的石墨烯/MnO_2复合材料。 本论文采用中间相沥青作为活性炭前驱体,制备出具有双峰分布的层次孔活性炭。通过分析预炭化对活性炭微观结构及电化学性能的影响,发现预炭化过程可以改变活性炭的微观结构,有利于微孔对比电容的贡献。通过改变预炭化温度,可以改变活性炭微晶的尺寸和排列,实现对1.5~2.5nm之间孔分布的调节;在1M Et_4NBF_4/PC有机体系中分析孔结构与电化学性能之间的关系,发现活性炭在1.75~1.85nm的孔分布,既有利于电解液离子在孔结构中自由、快速地传输,又有利于孔结构充分地进行电荷存储。同时深入分析Shi提出的微孔、中孔与比电容关系的经验公式,进一步扩充了公式内涵。 为提高多孔炭的导电性,本论文采用新的方法,制备出具有一定石墨化度的多孔炭(PGCs)。将化学活化和催化石墨化结合在一起,制备出石墨化度可调的多孔炭材料,导电性得到了明显提高。通过改变热处理温度和反应物配比,可以调节多孔炭的石墨化度和比表面积。 二氧化锰作为一种氧化物电极材料,目前有表面化学吸附(SCM)、隧道嵌入(TSM)两种电荷存储机制。本论文将Ba~(2+)、K~+以离子交换模式预先填充到MnO_2的隧道中,阻止电解液离子以TSM的方式存储电荷,只可能以SCM方式存储。通过电化学分析得出,化学共沉淀法制备的α-MnO_2的存储方式是两种机制共存、TSM为主,并定量计算出这两种机制存储电荷的比例。 本论文提出以材料表面电荷异性吸附的方式制备复合材料的实验方案,通过反胶束法制备表面带正电的纳米二氧化锰颗粒,与表面带负电的石墨烯形成复合材料,比容量在0.1M Na_2SO_4溶液中达206F g~(-1),分别高于MnO_2、石墨烯各自容量的40%、67%。
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