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《南京林业大学》 2017年
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离子液体电解质电容器活性炭电极材料研究

张秋红  
【摘要】:随着化石能源煤、石油等矿石资源的大量使用,环境污染、能源危机和全球变暖已成为人类面临的巨大挑战,发展清洁、高效的能源转换/存储器件迫在眉睫。与其它储能装置相比,超级电容器具有工作温度范围宽、安全性好、充放电效率高和循环寿命长等优点,因而广泛应用于备用电源系统、便携式电子设备、电动工具、电动汽车、智能电网等领域。然而,与电池等储能设备相比,超级电容器能量密度较低,限制了它的应用。提高电容器能量密度的两条途径是:提高电极材料的比电容量和电容器的电位窗。为了提高超级电容器的能量密度,本文研究了对活性炭电极离子液体电解质超级电容器影响最大的两个方面:电极孔隙结构和离子液体种类,从而为构筑高性能活性炭基离子液体电解质超级电容器做出贡献。采用工业上广泛应用的磷酸活化法和水蒸气二次活化法制备活性炭电极。磷酸法活性炭采用磷酸作为活化剂,杉木屑作为原料,通过改变浸渍比和活化时间制备孔径可调的活性炭电极。水蒸气二次活化法采用椰壳活性炭为初始原料,改变活化温度和时间制备优化的活性炭电极。通过N2吸附/脱附等温线、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、元素分析、粒度分析等方法表征了活性炭的元素组成、孔隙结构与形态。选几种不同阴阳离子组成的离子液体作为电解质,其种类不同,粘度和离子电导率均不同;采用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等方法研究了离子液体电解质种类对超级电容器电化学性能的影响。为了探究活性炭孔隙结构对超级电容器电化学性能的影响,本文采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF6)离子液体作为电解质,结果显示,在800-950oC温度下,通过调节浸渍比,磷酸活化法可以制备出中孔孔容比例达66%以上的中孔活性炭;在浸渍比为3:1的条件下,所制得的活性炭电极的质量比电容和面积比电容分别为162 F/g、10.29μF/cm2,组装成对称电容器的能量密度可达22.5 Wh/kg;且具有较好的倍率特性和循环稳定性,在5A/g的电流密度下充/放电5000次后容量保持率为86%。通过对比其他中孔率低的活性炭样品的电化学性能,无论是电容性能还是倍率性能均较好,所以磷酸法制备的孔径分布主要在2-5 nm范围内的活性炭电极较适合离子液体电解质超级电容器。为了探究离子液体种类对活性炭电极超级电容器电化学性能的影响,采用来源丰富的水蒸气二次活化的椰壳活性炭作为电极材料。通过对比研究表明由EMIM+和BMIM+阳离子与BF4-阴离子构成的离子液体电解质较适用于水蒸气二次活化电极。其中在[EMIM]BF4电解质中,单片电极的比电容量可高达153 F/g;在1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)电解质中电位窗可达3.5V,能量密度可高达57 Wh/kg。选择大微孔和中孔含量高的活性炭做电极,选择[EMIM]BF4、[BMIM]BF4这两种离子液体作为电解质得到比电容量大、电化学窗口宽、能量密度较高的超级电容器。为了优化水蒸气二次活化活性炭电极的电化学性能,本文采用块状椰壳活性炭为原料炭,通过改变对活化时间和活化温度这两个条件制备出电化学性能最优的水蒸气二次活化活性炭电极。选择适合于水蒸气二次活化活性炭电极的[EMIM]BF4离子液体作为电解质。结果表明,经优化后活性炭电极超级电容器的电位窗口稳定在3V、质量比电容高达247 F/g、面积比电容高达12.11μF/cm2。电容器的能量密度提高到77.19 Wh/kg;在电流密度2A/g(室温时)下充/放电循环2000次后超级电容器的比电容量仍较高达到初始比电容量的90%。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM53

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