多孔含异原子碳纤维及其超级电容器性能研究

来源 :黑龙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuanjinxing1987
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本文将三聚氰胺甲醛树脂树脂(MF)和聚乙烯醇(PVA)混合液作为纺丝原液,通过高压静电纺丝的方法制备了聚合物纤维膜,进一步高温碳化制备出含异原子碳纤维电极材料。同时向纺丝原液中加入造孔剂聚乙二醇(PEG)和氯化铵制备多孔含异原子碳纤维电极材料。将制备的电极材料在不加粘结剂的情况下直接在泡沫镍集流体上制备负极,采用电沉积的方法在泡沫镍上直接制备氢氧化镍正极,组装成卷绕式超级电容器和叠片式超级电容器。使用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸脱附测试等方法对材料进行表征分析。采用了循环伏安、恒流充放电等方法对电极材料和组装后的超级电容器进行了电化学性能测试。考察了MF与PVA的溶液配比和碳化时间对含异原子碳纤维性能的影响,并同制备的含异原子碳粉末(NCP)进行对比。结果表明:制备的含异原子碳纤维呈现出互相搭接的网状结构,纤维直径大约集中在200nm~500nm,具有独立自撑结构并且有一定的柔韧性。与NCP相比NCF具有较高的比电容值。当MF水溶液与PVA水溶液体积比3:1,接受距离25cm,流速0.4mL/h,纺丝电压为20KV获得的聚合物纤维在750℃条件下碳化1h获得的NCF的比电容值最高,循环伏安法在0.001V/s下测其比电容值达到147.7F/g。NCF的氮原子和氧原子总含量随着溶液中MF含量的增大而增加,随着碳化时间的增加,氮原子含量由4.68at.%减少到3.60at.%。组装成器件后NCF的电化学性能明显优于NCP的电化学性能。考察了单一造孔剂和复合造孔剂对NCF电极材料及其超级电容器的影响;考察了组装工艺及正负极质量比对超级电容器电化学性能影响。结果表明:单一造孔剂聚乙烯醇较氯化铵具有更好的造孔效果。加入15%聚乙烯醇制备的PNCF为负极,氢氧化镍为正极,正负极质量比为1:2时组装的卷绕式超级电容器具有最优的电化学性能,在测试电流为100mA下进行恒流充放电测试,比电容可达到71.5F/g。经过一万次循环,比电容,比能量值保持率都在92%以上。随着复合造孔剂含量增加,氮原子和氧原子含量均增加,电极材料总的比较面积和孔容均增加,有利于比电容值的提高。加入5%NH4Cl和15%PEG复合造孔剂制备的PNCF比加入15%PEG制备的PNCF有更高的比电容,循环伏安法在0.001V/s下测其比电容值达231.6F/g。其组装的卷绕式超级电容器在50mA测试电流下,其电容值为123.1F/g。制备的多孔含异原子碳纤维是比较理想的超级电容器用电极材料。
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