【摘要】：超級(jí)電容器作為介于傳統(tǒng)介質(zhì)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件,因其具有高功率密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)、快速充放電和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)引起了廣泛的關(guān)注,在能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。超級(jí)電容器的性能主要取決于其電極材料,碳材料因其成本低廉、比表面積高、制備工藝簡(jiǎn)單、微結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、形式多樣以及具有良好的導(dǎo)電性及電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于超級(jí)電容器電極材料。具有成本低廉、原料豐富、綠色可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)的可再生性的廢棄生物質(zhì)則成為制備碳材料的優(yōu)先選擇。本文以生物質(zhì)沼渣為碳源,采用化學(xué)活化法和N摻雜成功制備出活性炭。對(duì)所得材料的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征,并考察其作為超級(jí)電容器電極材料的電化學(xué)性能。主要結(jié)論如下:(1)利用預(yù)碳化+KOH活化,通過(guò)調(diào)節(jié)活化溫度和堿炭比,制備出分級(jí)孔結(jié)構(gòu)和較高比表面積的沼渣基活性炭材料。結(jié)果表明活化后所得活性炭隨著活化溫度的升高及堿炭比的增大其比表面積先增大后減小,微孔逐漸向中孔過(guò)渡。當(dāng)堿炭比為3,活化溫度為600°C時(shí)制備的活性炭性能最佳,此工藝條件下制備的沼渣基活性炭比表面積最大,達(dá)到942 m~2 g~(-1),孔容達(dá)0.712 cm~3 g~(-1),具有理想的多級(jí)孔道碳結(jié)構(gòu)。在6 M KOH電解液中電流密度為1 A g~(-1)時(shí),比電容高達(dá)198.42 F g~(-1),即使電流密度達(dá)到10 A g~(-1)時(shí)依然能夠保持158.48 F g~(-1)的比電容,表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。此外材料ADR-600-3在堿性電解液中還表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性,在電流密度為10 A g~(-1)時(shí)經(jīng)過(guò)5000次恒電流充放電循環(huán)依然能夠保持94.67%的比電容。(2)針對(duì)具有高比表面積和優(yōu)異的電化學(xué)性能的活性炭,進(jìn)行了N元素的摻雜,研究了摻雜比例對(duì)活性炭微觀形貌、比表面積、孔隙以及電容特性的影響。利用三聚氰胺作為摻氮?jiǎng)┻M(jìn)行氮元素?fù)诫s,不僅不會(huì)破壞活性炭的微觀結(jié)構(gòu),同時(shí)引入含氮官能團(tuán),增加活性炭的導(dǎo)電性和潤(rùn)濕性并引入贗電容,并降低了電極材料的內(nèi)阻。當(dāng)摻雜比為0.3:1時(shí),此工藝條件下制備的沼渣基活性炭比表面積最大,達(dá)到1506 m~2g~(-1),孔容達(dá)0.825 cm~3g~(-1)所得N摻雜活性炭在6 M KOH電解液中,在電流密度為1 A g~(-1)時(shí),比電容為248.85 F g~(-1),比樣品NADR-0的電容量提高了25.42%,在循環(huán)充放電5000次過(guò)后,其比電容保持率也有一定的提高,達(dá)到了96.01%。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM53
【圖文】：

圖 1.1 超級(jí)電容器的組成結(jié)構(gòu)Fig 1.1 The composition structure of the supercapacitor標(biāo)準(zhǔn)不同，超級(jí)電容器可以分為不同類(lèi)型的電容器：電極材料的成分不同，可分成碳基材料（活性炭、介材料）[16,17]，過(guò)渡金屬氧化物材料（氧化釕、氧化錳和物材料（聚苯胺和聚吡咯及其衍生物）[15]。電荷儲(chǔ)存機(jī)理的不同，分為雙電層電容器（EDLC）和贗電極材料[16,17]；過(guò)渡金屬及導(dǎo)電聚合物等[13-15]是作為電解質(zhì)體系物理特性的不同，可分為液體和固體[26]。和有機(jī)系。水系通常有酸性、堿性和中性三種類(lèi)型，4 等[27]。有機(jī)系電解質(zhì)主要有四乙基銨四氟硼酸鹽/ ，由于這類(lèi)電解質(zhì)具有一定的毒性并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成的較少[28]。

合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文。，電解質(zhì)中正負(fù)離子在兩電極間電勢(shì)差的作用下迅材料表面誘導(dǎo)相反電荷離子聚集在固、液界面上，形雙電層[29]。放電期間，電極表面上的電荷的定向分布，形成的雙電層也隨之消失。由于界面不存在電荷轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且在充放電過(guò)程中，電解質(zhì)的濃度基本上保持能過(guò)程中始終是一個(gè)物理靜電吸附過(guò)程[29]。由于不會(huì)的形成與解體在瞬間即可完成，這種性質(zhì)使 EDLC 具。由于在能量?jī)?chǔ)存過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生氧化還原反應(yīng)，基本不會(huì)對(duì)電極造成損耗等，所以理論上 EDLC 的使用壽電容器性能優(yōu)于化學(xué)電池的所在。所以這種儲(chǔ)能機(jī)理全和快速的特點(diǎn)。

第一章 緒論反應(yīng)過(guò)程，其中的雙電層過(guò)程與雙電層電容器的儲(chǔ)能到電極（近）表面的離子通過(guò)氧化還原反應(yīng)進(jìn)入電極當(dāng)放電時(shí)，離子又由于可逆的氧化還原反應(yīng)被釋放到容，其原理如圖 1.3 所示。在材料表面和內(nèi)部存儲(chǔ)電荷，其比電容要比 EDLC 約是 EDLC 的 10-100 倍[22,31]。但是，它也有缺點(diǎn)：還原反應(yīng)會(huì)使其穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)的循環(huán)壽應(yīng)慢，致使其功率密度比雙電層電容器的低，難以實(shí)因都限制了其在實(shí)際生活中的應(yīng)用[32]。

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