【摘要】：過(guò)度的能源消耗和化石燃料的枯竭,加上日益增長(zhǎng)的環(huán)境問(wèn)題正在推動(dòng)能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展。在現(xiàn)有的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)中,超級(jí)電容器以其充電時(shí)間快、功率密度高、循環(huán)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。氮摻雜類石墨烯碳材料作為一種低價(jià)環(huán)保型電極材料,有著廣闊的研究空間和應(yīng)用前景。本文以氮摻雜類石墨烯碳材料為研究對(duì)象,分別利用三聚氰胺海綿和氯化鈉為模版通過(guò)高溫固相法合成了三維含氧氮摻雜的類石墨烯碳材料和三維層級(jí)多孔氮摻雜類石墨烯超薄碳納米片。對(duì)合成材料的形貌、結(jié)構(gòu)、成分等進(jìn)行表征,并將樣品組裝成三電極和兩電極表征其電化學(xué)性能。基于表征和測(cè)試結(jié)果對(duì)合成的碳材料進(jìn)行了電容性能研究。主要結(jié)果如下:(1)以三聚氰胺海綿為模版,通過(guò)兩步高溫固相法在氮?dú)猸h(huán)境中熱解尿素和葡萄糖合成了一種三維含氧氮摻雜的類石墨烯碳材料(PGOCN)。通過(guò)SEM,TEM和氮吸附解吸等溫線測(cè)量表征所制備的樣品由折皺氮摻雜類石墨烯碳納米片嵌入四足碳框架組成,并含有大孔、中觀和微孔的層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。由于PGOCN材料含有豐富的氧和氮雜原子以及層級(jí)多孔結(jié)構(gòu),我們研究了它在高性能超級(jí)電容器中的應(yīng)用。三電極系統(tǒng)中,PGOCN電極材料在1 A g~(-1)的電流密度下酸性電解液中比電容為348 F g~(-1),而堿性電解液中的比電容為308 F g~(-1)。值得注意的是,PGOCN材料可以在沒(méi)有粘合劑和導(dǎo)電添加劑的情況下直接切成薄片用6M KOH作為電解質(zhì)組裝成兩電極的電子器件。組裝好的雙電極超級(jí)電容器裝置在0.2 A g~(-1)電流密度下表現(xiàn)出220 F g~(-1)的高比電容和在3.4 Wh kg~(-1)的能量密度下表現(xiàn)出1.2 kW kg~(-1)的功率密度,并在2000個(gè)循環(huán)后仍保持優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。(2)用氯化鈉為模版,KOH為活化劑通過(guò)原位高溫固相法合成的三維層級(jí)多孔氮摻雜類石墨烯超薄碳納米片(HGOCN-A)。組裝成三電極系統(tǒng),以1M H2SO4為電解液,HGOCN-A電極在1 A g~(-1)的電流密度下比電容為456 F g~(-1)當(dāng)電流密度為20 A g~(-1)時(shí),比電容為366 F g~(-1)。進(jìn)一步地,我們將制備的材料用PVA/KOH凝膠作為電解質(zhì)組裝成全固態(tài)對(duì)稱超級(jí)電容器(ASSs),在0.5 A g~(-1)的電流密度和5 kW kg~(-1)的能量密度下在4.8 Wh kg~(-1)的能量密度下顯示出212 F g~(-1)并在2000個(gè)循環(huán)后仍具有98%的電容保持率。
【圖文】：

(4) 根據(jù)電解液的不同可分為：水系電容器，有機(jī)系電容器，凝膠型電容器。1.2.2 雙電層電容器如圖1.1所示，雙電層電容器是基于電極和電解液中的電荷發(fā)生可逆吸附形成界面來(lái)儲(chǔ)存能量的。充電時(shí)，電極的正負(fù)極分別存儲(chǔ)正電荷和負(fù)電荷。在電場(chǎng)的作用下電解液中的陰陽(yáng)離子向相反的方向進(jìn)行遷移（其中陽(yáng)離子向負(fù)極遷移）并在電極和電解液的界面之間形成雙電層；放電時(shí)，外接電路將電容器的正負(fù)極導(dǎo)通，電容器的內(nèi)部電子從負(fù)極往正極移動(dòng)從而外電路產(chǎn)生從正極到負(fù)極的電流，，處于界面的陰陽(yáng)離子又重新返回到電解液中。整個(gè)充電和放電過(guò)程是電荷的物理遷移過(guò)程。雙電層電容比電容計(jì)算公式為[9]：4Cd \* MERGEFORMAT (1.1)其中，C ——雙電層電容器的比電容； ——介質(zhì)的介電常數(shù)；d ——雙電層的有效厚度。圖 1.1 雙電層超級(jí)電容器的工作原理Figure 1.1 Schematic representation of an EDLC1.2.3 贗電容電容器“贗電容”概念最早由B.E. Conway 提出[10]。贗電容的反應(yīng)機(jī)理與雙電層電容中電荷的物理遷移過(guò)程不同，是一個(gè)法拉第過(guò)程。贗電容可以分為兩種類型：

1.2.4 超級(jí)電容器的性能特點(diǎn)圖1.2對(duì)比了超級(jí)電容器與鋰離子電池、燃料電池等其他儲(chǔ)能裝置的功率密度和能量密度特點(diǎn)[12]。從圖中可以看出，超級(jí)電容器的具有比傳統(tǒng)電容器更大的能量密度和比二次電池更大的功率密度，彌補(bǔ)了電池和傳統(tǒng)電容器之間的空白。表1.1對(duì)比了超級(jí)電容器、傳統(tǒng)電容器和電池的常規(guī)性能并總結(jié)出了超級(jí)電容器具有以下特點(diǎn)：(1) 充電時(shí)間短。超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，可以在大電流的情況下進(jìn)行充電，因此與其他的儲(chǔ)能裝置相比可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成充電。(2) 功率密度高。由于超級(jí)電容器內(nèi)阻很小，電荷存儲(chǔ)在電極和電解液界面且充放電速率遠(yuǎn)大于化學(xué)電池，故超級(jí)電容器擁有高的功率密度。(3) 超長(zhǎng)的使用壽命。由于超級(jí)電容器的充放電過(guò)程基本上是可逆過(guò)程因此超級(jí)電容器擁有高達(dá)510 的循環(huán)次數(shù)。(4) 放置時(shí)間長(zhǎng)。超級(jí)電容器放置一段時(shí)間后會(huì)自放電到低電壓狀態(tài)，重新充電后可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。(5) 安全性高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。超級(jí)電容器主要用碳材料作為電極材料
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2556796