碳化钙骨架碳的制备及其修饰在超级电容器中的应用

【摘要】： 超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能器件,它比常规电容器具有更高的比能量,比二次电池具有更大的比功率和循环寿命,而且兼有使用温度范围宽(-20～60℃)、无环境污染等优点,在电动汽车的起动与加速以及需要较高功率密度输出电动工具中,具有很广阔的应用。而电极材料是决定电化学电容器性能优越与否的关键因素,因此电极材料的研究一直成为该领域的研究热点。本课题采用低温一步法制备了具有多孔结构的碳化钙骨架碳(CCDC),为了进一步改善其结构和电化学性能,分别采用硝酸、聚苯胺、尿素和三聚氰胺进行修饰处理,研究了修饰前后材料的物理特性和电化学性能。 本文以廉价碳化钙(CaC_2)为前驱体,新鲜制备的氯气为刻蚀剂,在400℃下制备了CCDC。为了改善CCDC表面结构及电化学性能,采用6M硝酸进行活化处理。用红外光谱(IR)、N_2吸脱附等温线、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析对活化前后的CCDC进行物理性能表征。结果表明:活化后的H-CCDC的比表面积和孔径有所增大,增加了表面含氧官能团,增大了电极材料的亲水性能,有利于电解质离子的吸附与双电层电容的形成。因此,H-CCDC的比电容由154.7 F·g~-1增加到191.5 F·g~-1,且循环10,000次后其比容量波动范围仅为2-3%。 为了引入高的法拉第准电容,采用化学氧化聚合法制备了碳化钙骨架碳/聚苯胺(CCDC/PANI)复合材料。用IR、SEM和TEM等研究了复合材料的结构和形貌,发现絮状的PANI均匀地沉积在CCDC的表面及孔道结构内部中。电化学性能测试表明,CCDC/PANI比电容明显高于纯CCDC,其循环寿命又比纯PANI优越。循环伏安测得CCDC/PANI电极的比电容为713.4 F·g~-1,且循环1000次后容量保持率仍为81.3%,功率密度和能量密度分别为2.5 kW·kg~~-1和67.5 Wh·kg~-1,是一种很有前景的大功率超级电容器电极材料。 为了增加碳材料的氮、氧官能团,分别采用尿素(urea)、三聚氰胺(melamine)来修饰CCDC,制备出富氮、氧功能化的电极材料,分别为U-CCDC和M-CCDC,并用IR、元素分析等对其进行物理表征。发现U-CCDC和M-CCDC表面明显有氮、氧官能团存在,极大地改善了CCDC的结构和表面活性。电化学性能测试结果表明,经尿素、三聚氰胺处理后的U-CCDC和M-CCDC,在1 M H_2SO_4中比电容分别达到210.8 F·g~-1和225.4 F·g~-1,比修饰前分别增长了36.3%和45.7%,且循环5,000次后,容量几乎没有衰减,表现础优越的循环性能。