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《华中科技大学》 2017年
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用于超级电容器新型碳材料的研究

史超  
【摘要】:超级电容器由于具备高的功率密度、快速的充放电速率和良好的循环性能,在能源储存领域引起了人们的广泛关注。碳材料因其具有良好的化学和热力学稳定性,成为了超级电容器最主流的电极材料。碳材料的比表面积和导电性是影响碳基超级电容器性能最重要的两个因素,原因在于前者直接决定比容量,后者直接决定功率表现。因此,本文从提高比表面积和导电性两方面出发,提出了制备新型碳材料的方法,并获得了性能优异的碳材料。本文主要内容可归纳如下:第一,采用预碳化和KOH活化的方法,将产量丰富的酿酒工业副产物酒糟转化为具有超高比表面积的高性能碳材料。合成过程中,在KOH活化前引入的高能球磨混合过程能够在待活化的碳材料表面引进亲水官能团,增加材料的亲水性,从而加强活化造孔效果。合成的碳材料在具备高比表面积3728 m~2 g~(-1)的同时,还富含石墨烯纳米片。这些石墨烯纳米片的存在,大大提高了碳材料的高导电性,使得该类碳材料同时具有超高双电层比容量和优秀的倍率性能。在水系电解液2 M KOH和1 M H_2SO_4中,1 A g~(-1)的电流密度下,比容量分别高达329 F g~(-1)和311 F g~(-1)。在有机电解液1 M TEABF_4/AN中,可以收获高达3 V的工作电压,1 A g~(-1)的电流密度下,比容量高达164 F g~(-1),能量密度能够达到49.5 W h kg~(-1)。这些性能都要远远优于商业活性炭及大部分生物质衍生碳。第二,在前一步的基础上,引入了碱金属活化过程,尤其是Na活化,在较低温度800℃下获得了一类同时具有高比表面积和高石墨化程度的碳材料。Na能够经由被活化碳材料的孔道结构渗透进入内部,与含氧官能团发生氧化还原反应并引发碳材料的重排来实现石墨化。得到的碳材料具有全新的三维结构:石墨烯带作为骨架,不定型碳以及石墨烯纳米片分布于石墨烯带旁。这一类石墨化碳材料比表面积均高于2600 m~2 g~(-1),为其他石墨化碳材料的1.5~10倍,因此用于超级电容器时相较于其他石墨化碳材料具有更高的比容量。石墨烯带骨架赋予了新碳材料更优异的导电性,因而其倍率性能和循环性能得到了强化。即使在100 A g~(-1)的超大电流密度下,对应于1 A g~(-1)时的容量保持率高达73%;循环13000次之后,容量保持率仍有93%。在有机电解液1 M TEABF_4/AN中,功率密度高达12.8 kW kg~(-1)。更为重要的是,本文对钠活化的机理进行了详细的研究,这为低温条件下制备多孔石墨化碳材料提供了有价值的参考。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ127.11;TM53

【参考文献】
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