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《中南林业科技大学》 2019年
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基于木材取向孔道结构的超级电容器性能研究

习赵维  
【摘要】:随着经济的快速发展世界能源不断消耗,能源成为了当今社会最关注的主题之一。在许多应用领域中,一些最有效和实用的电化学能量转换和储存装置主要是电池、传统电容器和超级电容器。而超级电容器与传统电容器相比能量密度要大几个数量级,与电池相比功率密度明显较高且循环寿命较好。但超级电容器的性能受到很多因素的影响,主要是电极材料与电解液。在本文当中,我们主要研究了对其性能影响最大的电极材料。生物质作为一种有前景的可再生资源,具有来源广泛、成本低廉和绿色可持续等优势,利用生物质功能材料作为原材料是目前电极材料领域的研究热点,尤其是利用木材来制作超级电容器引起了科研工作者的极大兴趣。木材是一种来源广泛、价格低廉、具有优异力学性能的材料。它可以在惰性气体的高温下碳化以保持其相互连接的多通道多孔结构,这种相互连接的多通道结构为离子提供了大的运输表面积。在本文中,我们利用两种孔隙大小、管胞尺寸及形状不同的木材制备了性能优异的超级电容器电极材料。主要研究内容如下:(1)我们利用杉木作为原材料对物理活化时间及材料厚度进行了探究。经过探究找到了最佳的活化时间为10 h,最佳材料厚度为0.8 mm。我们还利用硝酸和氢氧化钾在木材管胞壁上刻蚀了一些介孔与微孔,进一步增大了电极的比表面从而增大其比电容;(2)为进一步提高电容器电化学性能,我们利用了两种方法在木头管胞内填充二氧化锰赝电容物质。二氧化锰是一种廉价的、无毒性的金属氧化物。理论比电容可达1370 Fg-1。在上述研究基础上,设置140 ℃的温度条件,我们以杨木为负载平台利用水热反应法将高锰酸钾(KMn04)直接作为还原剂,在杨木管胞内上载了二氧化锰(MnO2)。在浓度为10 mM L-1的条件下得到的复合电极面积比电容可达3.497 F cm-2;(3)使用水热法电极材料可以进行大规模制备,方便进行批量生产。然而,利用水热法合成复合电极,上载的二氧化锰质量不可控。而恒电位电化学沉积可以精确控制上载的二氧化锰质量。利用这种方法我们在杉木管胞内合成了二氧化锰纳米薄片,其可进一步增大电极材料的比表面积从而提升杉木片电化学性能。在二氧化锰负载量为110mgcm-2时,复合电极材料比电容可达到187.5Fg-1。本文利用绿色可持续生物质碳材料,制备了一种高能量密度、功率密度以及比电容的电极材料。根据本文研究内容,可大规模生产以木材为电极材料的超级电容器,进一步推动超级电容器的绿色发展。
【学位授予单位】:中南林业科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53

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