超级电容器用新型高比表面积碳材料电化学性能研究

【摘要】：超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型绿色储能装置，超级电容器的主要优点是充放电速率快、效率高；其主要缺点是电容性能较低。如何提高超级电容器的电容性能是近年来该方向的研究热点。本论文的研究重点为通过优化碳材料的孔结构,调节孔径尺寸、提高比表面积利用率从而提升材料的电容性能，具体内容如下： 本文系统研究了具有超大比表面积的稻壳碳在碱性电介液和有机电介液中的电容性能。研究发现以KOH作为活化剂制备的稻壳碳材料具有良好的电容性能。在扫速为100mVs-1时的比电容值相对于材料在低扫速时的比电容值仍保留有将近90%；而且在经过5000次以上的恒流充放电后，测试得到的比电容值相对于初始测量值基本没有变化，在10000次循环后，比电容值只有微小的衰减。稻壳碳材料的内阻很低，且具有较高的能量密度和功率密度。在水系电解液和有机系电解液中，该材料通过循环伏安测得的最大比电容值分别为155Fg-1和135Fg-1。 以聚丙烯腈基预氧丝为原料，通过碳化和物理活化方法制得聚丙烯腈基活性碳纤维。利用电化学测试，得到该材料在碱性电介液和有机电介液中的比电容值。研究发现以CO2为活化气体，碳化温度为850°C时制备的活性碳纤维具有最好的电化学性能，其在水系电解液和有机系电解液中的比电容值分别可达到147Fg-1和125Fg-1。而且通过BET，XRD，Raman，SEM等实验对活性碳纤维的结构组成与形貌进行了分析；并利用自主研发的小角散射分析软件对活性碳纤维的孔结构进行了详细分析。 以碳化钛纳米纤维毡为原料，采用氯化刻蚀法制得碳化钛衍生碳（TiC-CDC）纤维,该材料无需添加任何粘合剂可直接作为超级电容器电极使用。并通过物理测试，对该电极材料的形貌、结构和组成进行详细的表征，而且利用电化学测试，得到该材料在酸性电介液和有机电介液中的比电容，从而进一步了解了碳化钛衍生碳纤维电容器的双电层电容行为及其充放电机理。经实验证实，经氯化处理后的所有TiC-CDC纤维电极，在高扫速时的比电容值相对于材料在低扫速时的比电容值仍保留有90%以上；而且在特定的氯化温度下（400-800°C），即使扫速达到极高的5Vs-1，比电容值的损失率也不到50%。氯化温度为1000°C时制备的TiC纤维电极材料的电化学性能最好，在水系电解液和有机系电解液中，测得最大比电容值分别为135Fg-1和120Fg-1。