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《兰州理工大学》 2011年
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介孔碳超级电容器电极材料的研究

杨贞胜  
【摘要】:超级电容器是一种新型的储能装置。本文综述了超级电容器的国内外现状及超级电容器电极材料的最新的理论和应用研究进展,并且制备了介孔碳和MnO_2超级电容器电极材料。超级电容器的主要优点是效率高、充放电速率快;其主要缺点是能量密度低。如何提高超级电容器的能量密度已迫在眉睫。根据E=1/2CV~2可知,提高超级电容器的能量密度可以通过两种有效的途径: 一是提高电极材料的比电容值(C)。多孔碳作为超级电容器电极材料的主要优点是价格低廉、成型性好、电化学稳定性高、效率高;但是也有一个主要缺点—能量密度低。碳电极电容器的比电容与电极材料的比表面积大小有关,对于实际体系,通常是通过增大电极的比表面积来提高其比电容。但在实际测量中发现,碳基电容器的电容大小与其表面积并不呈线性关系。这主要是因为影响多孔碳材料双电层电容的参数众多,如比表面积、孔径和孔径分布、微孔率、孔形状、孔的空间群、碳表面官能团。这些参数之间也存在着千丝万缕的关系。多孔碳材料的比容量与这些参数之间究竟存在什么样的关系,这是一个严肃而又基础的科学问题。本章从电极/溶液界面的景象出发,根据孔径分布曲线测试的理论原理,建立理论模型,推导出双电层电容与孔径和孔径分布之间的关系,厘清了影响双电层电容的相关因素,提出了有效孔径和有效比表面积的计算方法。并在此基础上对得到的公式根据不同的边界条件进行讨论。最后采用不同的氧化硅SBA-15分子筛为模板,用蔗糖或糠醇为碳源制备高比表面积和孔体积的介孔碳,测试其双电层电容以验证我们关于双电层电容的理论。 二是增大电容器的工作电压(V)。采用液相还原法制备了具有高析氧电位的正极材料MnO_2粉末,并对所制备的MnO_2粉末进行X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析。电化学测试表明所制备的MnO_2粉末得比容量高达209 F/g.同时选择三种不同比表面积和微结构的具有较低析氢电位的介孔碳负极材料,将其组合成MnO_2/OMC不对称超级电容器,使得混合电容器具有较宽的电位窗口。在2 mol/L NaNO_3电解液中,不对称电容器的电位窗口可达2V;当负极材料为短棒状CMK-3、电流密度为2.5 mA/cm~2时,混合电容器的比容量高达86.9F/g.最后,我们通过对比三种混合电容器的功率性,初步探讨了介孔碳负极材料对MnO_2/OMC混合电容器电化学性能的影响。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM53

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