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基于生物质冻干法制备超级电容器电极的研究

马英英  
【摘要】:随着能源、资源和环境问题的日益突出,我们急需基于可再生材料,发展新能源和清洁、高效的能源存储技术。最近,以生物质为原料制备储能器件电极材料成为学术界和工业界的一大趋势。然而,已有研究通常是将生物质直接高温碳化,会不可避免地导致生物质组分的流失和部分原始结构的破坏,从而使所得多孔碳的储能性能不能充分发挥。本论文通过采用冷冻干燥法有效保护生物质的原始组成和结构优势,然后采用高温碳化的方法制备多孔碳材料,通过优化碳化条件或结合简单、环保的活化方法制备孔径多级分布、孔间相互连通的多孔碳材料,研究了碳化温度和时间、活化方法及条件对所得多孔碳材料的结构和性能的影响规律,从而优化条件,提高可再生电极材料的储能性能,由此发展了一种基于生物质制备高性能超级电容器电极的新方法。主要研究内容和结论如下:(1)以芹菜为原料,首先采用真空冷冻干燥技术对其进行干燥,从而有效保护其原始组成及结构优势,然后对其进行高温碳化,通过优化碳化温度和时间,N、S、P等杂元素有效保留,其中氧元素与碳和氢发生一定程度的反应,在生物质的孔壁上产生大量互相连通、适合离子嵌入和脱出的纳米级孔,800℃碳化1 h所得样品表现出最佳储能性能,电流密度在1 A/g时,比容量高达350 F/g,且在功率密度达8 kW/kg的情况下,能量密度仍能达到16.3 Wh/kg。(2)为实现变废为宝,本论文进一步采用柚子皮为原料制备超级电容器电极。首先对柚子皮进行冷冻干燥,然后高温碳化得到多孔碳(PC),样品中几乎不含纳米级的孔结构,在电流密度为1 A/g时,比容量只有5.3 F/g。为了提高样品的比容量,对其进行了多种活化方法研究。一方面,采用KOH水溶液或磷酸浸泡柚子皮,然后再对其冻干和高温碳化分别制备多孔碳材料PCK和PCP,因其孔径分布主要以微孔为主和含有一定量介孔,1 A/g下的比容量分别提升至26.9 F/g和94.4F/g。另一方面,本论文进一步研究了无需活化剂、低成本、环境友好的空气活化法对PC在不同的温度(x℃)下进行空气活化得到孔径多级分布的多孔碳材料PCA-x。实验证明,空气活化使材料的平均孔径明显增大,350℃下活化所得样品具有大小、比例适中的微孔和介孔,表现出最佳储能性能,比容量在1 A/g的电流密度下达到160 F/g,且在功率密度达到9 kW/kg时,能量密度可以维持在8.81Wh/kg,在电流密度为20 A/g时对其进行长效循环性能测试,经过10万次循环后,比容量仍能保持原来的97.24%,说明该电极材料具有很好的循环稳定性。


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