【摘要】：目前,低碳環(huán)保助力經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)下研究者面臨的一大挑戰(zhàn)。超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能元件,因其具備良好的倍率特性及電荷存儲(chǔ)能力、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及寬溫度適應(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn),在能源、通訊、軌道交通等諸多領(lǐng)域得到了成功適用,其電極材料類(lèi)型將直接影響電容器性能。炭材料依托其原料豐富、成本低廉且較高的比表面積可獲得較大的比電容成為迄今為止商業(yè)化運(yùn)行最好的電極材料。而氮摻雜炭材料因其富電子氮及孤對(duì)電子的存在,在電化學(xué)性能方面展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展空間。本文采用幾丁質(zhì)為前驅(qū)體,圍繞富氮多孔炭材料的可控制備及其電化學(xué)儲(chǔ)能之間的構(gòu)效關(guān)系,展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。采用熱失重分析、氮?dú)馕摳降葴鼐�、X射線衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線光電子能譜等對(duì)幾丁質(zhì)的熱解行為、氮摻雜炭材料的形貌、結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征,并通過(guò)電化學(xué)工作站循環(huán)伏安、恒電流充放電及交流阻抗測(cè)試對(duì)氮摻雜材料的電化學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)使用幾丁質(zhì)生物質(zhì)蟬蛻為炭源和氮源,采用空氣預(yù)炭化聯(lián)合KOH活化制備氮摻雜炭材料(CSC-x),并研究了不同堿炭(蟬蛻炭,CS char)比(x=0.5、1、2、3)對(duì)材料性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)KOH:CS char=2時(shí),制得的材料CSC-2比表面積為1745 m~2 g~(-1)。在三電極體系中,CSC-2在電流密度為0.5 A g~(-1)時(shí),其比電容高達(dá)266.5 F g~(-1),且表現(xiàn)出良好的倍率性能(20 A g~(-1)時(shí)比電容196.2F g~(-1))和循環(huán)穩(wěn)定性(5000次循環(huán)后,比容量保持率92.7%),這主要?dú)w功于氮氧雜原子的摻雜。同時(shí),CSC-2在對(duì)稱(chēng)兩電極體系下,當(dāng)電流密度為5 A g~(-1)時(shí),擁有較高的能量密度(15.97W h kg~(-1))和功率密度(5000W kg~(-1))。(2)使用純幾丁質(zhì)為碳源,NH_4HCO_3、(NH_4)_2SO_4和NH_4Cl三種銨鹽為致孔劑和氮源,采用直接熱解法制備富氮摻雜炭材料NC�？捉Y(jié)構(gòu)和表面元素分析表明,NH_4Cl具有最優(yōu)異的致孔作用及氮摻雜效果。熱分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),三種銨鹽中NH_4Cl的分解溫度最接近幾丁質(zhì)的分解溫度,此外NH_4Cl熱分解過(guò)程中產(chǎn)生的NH_3不僅能輔助擴(kuò)孔,而且能成功地將氮原子引入到碳骨架中,生成電化學(xué)活性較強(qiáng)的吡咯和吡啶氮官能團(tuán)。此外,還研究了氯化銨與幾丁質(zhì)的質(zhì)量比(0.5、1、2)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)質(zhì)量比為1時(shí),制得的材料NC-NH_4Cl-1,在電流密度為1 A g~(-1)時(shí),比電容約為274 F g~(-1)。在兩電極體系下,NC-NH_4Cl-1擁有11.11 W h kg~(-1)的能量密度及10000 W kg~(-1)的功率密度。
【圖文】：

[3]。因此如何有效提高電容器的能量密度是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。圖1.1是不同儲(chǔ)能器件的比能量及比功率密度關(guān)系的Ragone圖。通過(guò)改進(jìn)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使其功率密度和能量密度同時(shí)涵蓋幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故而使得超級(jí)電容器可獨(dú)立作為能源供應(yīng)系統(tǒng)或與電池一起作為混合動(dòng)力系統(tǒng)。高比功率以及高比能量的有效結(jié)合，使得超級(jí)電容器填補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器與二次電池之間的空白，，也有效彌補(bǔ)了電池和燃料電池等其他電源的不足[4]。圖 1.1 不同儲(chǔ)能裝置的比能量和比功率的 Ragone 圖[5]Fig. 1.1 Reagone plot of specific power against specific energy for energy storage

1.2.2 超級(jí)電容器的工作機(jī)理及分類(lèi)超級(jí)電容器的工作機(jī)理主要是依靠電荷或電解液離子間的遷移作用。如圖1.2所示，超級(jí)電容器主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成，具體包括電極、集流體、電解液、隔膜及外殼等。電容器使用不同的電解液體系和電極材料，其儲(chǔ)能原理也大相徑庭。通常超級(jí)電容器有三種分類(lèi)方式[8]：（1）按照儲(chǔ)能機(jī)理不同可以分為: ①雙電層電容器(Electric Double LayerCapacitors，EDLCs)。EDLCs電極材料主要為炭材料，其工作原理是在電極表面與電解液中的電解質(zhì)離子形成雙電層。EDLCs充放電過(guò)程為電荷的物理遷移過(guò)程也稱(chēng)靜電過(guò)程，因此炭材料的比表面積成為其電荷存儲(chǔ)量的關(guān)鍵。一般而言，若想要提高材料比電容，需提高材料比表面積。同時(shí)，由于EDLCs一般不會(huì)發(fā)生法拉第氧化還原反應(yīng)，因此性能穩(wěn)定且循環(huán)性能優(yōu)異、循環(huán)壽命長(zhǎng)是雙電層電容器的顯著特征。但其缺點(diǎn)也較為明顯，雙電層電容器比容量及能量密度較低限制了其實(shí)際應(yīng)用。②法拉第贗電容器（Pseudo-Capacitors）。贗電容的產(chǎn)生主要由于活性物質(zhì)或電解質(zhì)離子在電極表面或體相內(nèi)部發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)及化學(xué)吸脫附行為[9]，其電極材料多為高分子導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物。此外，由于贗電容能夠深入電極體相內(nèi)，因此，一般情況下可獲得比EDLCs更高的比電容和能量及功率密度[10]。③混合電容器。（2）按電解液類(lèi)型的不同可分為：①水系電解液。由于其成本低廉、導(dǎo)電性能優(yōu)異、與電極材料的孔道結(jié)構(gòu)能充分浸潤(rùn)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)領(lǐng)域。水系電解液包括中性、酸性和堿性電解液。其中，KOH溶液是堿性電解液中使
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2590214