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多级孔碳材料的制备及其电容性能研究

李昊远  
【摘要】:超级电容器是一种对环境友好、无污染的储能器件,应用在便携式电子设备、电动汽车、燃料电池、铁路、通讯、国防等领域。现有的超级电容器电极材料在某些方面存在着很多的缺陷,随着科学的进步和新型材料的出现,给了我们更多的选择。研究出合成方法简单、电压窗口高、能量密度高、循环稳定性好的电极材料成为当今世界的热门课题之一。材料的形貌和N元素的掺杂对电容的性能也有着根本性的影响。本文基于双电层电容的储能机理及碳电极材料的研究进展,对多孔碳材料合成及超级电容器性能提高进行了探索。详细的研究内容如下:首先,我们对一种N掺杂分级多孔碳材料(HPDC)的合成及其电容性能进行探究:它是通过ZnO为模板,由非常规碳源聚偏二氯乙烯脱卤得到,其中ZnO既为脱卤剂又为模板剂,在高温煆烧后通过耦合反应,得到大比表面积(1540.2m2·g-1)、孔结构丰富、导电性好的N掺杂分级多孔碳材料。实验发现高温下H2O的蒸发可以产生大孔结构,通过ZnO活化作用得到大量的介孔和微孔,N元素的掺杂也有利于电容性能提升。我们详细探讨了焙烧温度、ZnO量、三聚氰胺(N源)量以及氧化物种类等实验条件对材料形貌、结构和电化学性能的影响。最优化实验条件下合成的多孔碳材料HPDC在初始电流密度0.5A· g-1时的容量值能达到315F·g-1,是一种具备应用潜力的电极材料。最近,水系电容器在贮存能量方面变得越来越流行,它有很多的优点,例如花费低、无污染、稳定且安全。然而,因为H20在电压为1.23V时发生电解,所以低电压窗口一直是限制水系电容器能量密度的主要原因。我们将聚偏二氯乙烯脱卤得到N掺杂分级多孔碳材料应用到水系电容器中,探讨了碱性和多种中性电解液对电容器性能的影响。我们所组装的电容器在电解液为1.0 M Li2SO4中能够将电压窗口稳定提高到1.8 V,有效抑制了 H20的电解,其能量密度能够到达21.5Wh·Kg-1,且具有较好的稳定性。我们不仅提供了一种具备优异电容性能的电极材料的合成路线,还通过电解液的选择,有效抑制水分解,得到了一种具有很高的电压窗口、高能量密度和安全性的水系电容器。我们的工作对于超级电容器的开发具备重要的意义。


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