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碳布改性及电化学性能研究

张谦  
【摘要】:超级电容器具有循环寿命长,成本低以及功率密度高的特点,在能源领域得到了广泛的应用。碳布作为超级电容器的基底材料,具有柔性好,机械性能好以及电化学性能稳定等优点,但是较低的比表面积和容量限制了其在超级电容器领域的广泛应用,因此,如何提高碳布的电化学性能是目前超级电容器领域的研究热点之一。在此背景之下,本文围绕碳布的比表面积和导电性等问题,通过在碳布的表面复合掺氮多孔碳的方法来提高碳布和超级电容器的电化学性能。(1)在水热条件下用叠氮化钠对活性炭和碳布进行改性,提高其导电性。采用NaN_3水热的方法对活性炭进行氮元素的掺杂,氮掺杂活性炭(NAC)的比表面积仍可以达到1903 m~2/g,表面氮元素的掺杂提高了电极材料的导电性,同时增加了电极材料的容量;NAC电极的电荷转移电阻R_(ct)只有2.2Ω;在1 A/g的电流密度下,电极的比容量可以达到51 F/g;对碳布依次进行扩孔和掺氮处理,制备的氮掺杂多孔碳布(NPCC)电极材料比表面积可以达到52 m~2/g;将NPCC电极材料组装成对称的电容器进行充放电测试,在1 mA/cm~2电流密度下,容量可以达到130mF/cm~2;通过计算,当电容器的功率密度为0.375 W/cm~3时,能量密度可达2.03mWh/cm~3;在2.5 mA/cm~2的电流密度下,经过30000次循环充放电后,器件的容量仍可达初始容量的95.8%,具有良好的电化学稳定性。(2)聚吡咯为前驱物,通过高温碳化工艺制备的多孔碳比表面积可以达到2256 m~2/g,由多孔碳组装的对称超级电容器,在LiClO_4/AN电解液中进行测试,当电压窗口为1.25 V时,在0.5 A/g的电流密度下,电容器的容量可以达到62 F/g;当电压窗口为2 V时,在相同的电流密度下测试,电容器的容量增加到112.5 F/g;在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中测试,电压窗口可以提升到4 V。在0.5 A/g的电流密度下,电容器的容量可以达到39.25 F/g,并且能量密度有了很大的提升,可以增长到87.2 Wh/kg。(3)通过碳布表面附着掺氮的多孔碳颗粒来提高比表面积,制备的掺氮多孔碳布(NCC)电极比表面积可以达到147 m~2/g。当电流密度为8 mA/cm~2时,电极的比容量可以达到1.2 F/cm~2;对电极进行50000次的充放电测试,材料的比容量基本上没有衰减;将NCC电极材料作为负极,NCC电极表面沉积二氧化锰得到的复合电极材料(MNCC)作为正极组成非对称的超级电容器。当电流密度为3mA/cm~2时,容量可以达到350 mF/cm~2;当功率密度为208 mW/cm~3,能量密度可以达到2.43 mWh/cm~3。采用电沉积法和氢氧化钾扩孔法,制备氮掺杂多孔碳薄膜包覆的多孔碳布复合电极材料(PCC@NMC),多孔碳薄膜厚度为250 nm,材料的比表面积可以达到244 m~2/g;当电流密度为8 mA/cm~2时,电极的比容量可以达到2.2 F/cm~2;将PCC@NMC电极材料作为负极,组成非对称的超级电容器。当电流密度为4 mA/cm~2时,器件的容量可以达到600 mF/cm~2;组装成柔性的超级电容器可以使32个红色led灯保持16min的高亮度状态。(4)采用电沉积法得到多孔碳薄膜包覆的碳布(NCF),NCF的比表面积提高到84 m~2/g。然后用NaN_3水热的方法进行二次掺氮,得到氮掺杂多孔碳布(NNCF);把NNCF电极材料制备成半电池进行电化学测试,测试的电化学窗口为0.001-3 V;在1 mA/cm~2的电流密度下进行恒流充放电测试,NNCF的首次放电容量可以达到5.1 mAh/cm~2;将表面涂覆钴酸锂的NNCF复合电极材料作为正极,NNCF作为负极,制备柔性的锂离子电池,当电流密度为0.2 mA/cm~2时,放电容量可以达到0.2mAh/cm~2;并且具备良好的倍率性能和循环稳定性。当制备的柔性电池弯折成不同角度测试时,容量基本保持不变,说明其具有良好的机械性能和柔性。


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