超级电容器用多孔碳材料的制备与性能研究

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超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型绿色储能元件。目前商业化超级电容器由于其低的能量密度已难以满足快速发展的应用需求,因此研究具有高能量密度、高功率性能以及优良循环稳定性的超级电容器成为了今后储能器件研究的焦点。其中,电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一,而制备具有高性能的电极材料是目前研究的热点和难点。鉴于此,本文以多孔聚合物为基础,利用其本身所具有的独特孔结构、表面官能团等,期望经过表面改性、结构控制、更换聚合物基体以及对材料的一次粒子进行控制等探索和研究,从而能充分发挥聚合物基介孔碳材料孔结构、表面官能团等在超级电容器中的作用,达到大幅度提高介孔碳电极材料的电化学性能这一目标。论文的具体内容介绍如下:  1.通过溶剂挥发诱导自组装(EISA)制备得到了具有体心立方结构的介孔酚醛树脂碳C-FDU-16,并使用硝酸对其进行表面改性得到N-FDU-16。所得到的C-FDU-16由于在电解液中的浸润性差,使得其所表现出的电化学性能也很不理想。然而,酸处理之后的N-FDU-16却具有非常良好的超级电容器特性,这得益于改性后引入的表面含氧官能团不仅带来了疑似容量也改善了电极在电解液中的浸润性。最后的结果是,酸处理的N-FDU-16电极显示出高的对比容量219Fg-1(0.1Ag-1),这是未经处理的C-FDU-16电极的7倍。另外,N-FDU-16电极也显示了优良的循环稳定性和寿命。  2.以酚醛树脂,F127和SiO2为原料,通过溶剂挥发自组装法制备了新型的多级介孔结构酚醛树脂碳材料(BMC)。所得到的碳材料结构独特,由孔径为3.5nm的有序介孔结构和孔径为7.0nm的无序介孔结构所组成。该材料作为超级电容器电极材料时显示出优良的电化学特性,这是由于:相互连通的无序介孔为离子的快速传输和电解液从BMC颗粒表面进入内部孔道提供了理想的通道,保证了良好的电导率,减小了阻抗。同样该材料在高倍率下也显示了出色的容量保持率,使它可能在高倍率脉冲电源上得到应用。所制备的BMC具有高的比表面积722m2g-1,比容量达到344Fg-1。另外,BMC电极显示出优良的循环稳定性,10000次循环以后的容量损失不到1%。  3.通过对原有酚醛树脂介孔碳材料制备方法的改进,提出了一步法制备介孔酚醛树脂碳粉末材料(H-FDU-16)的新方法。所得材料经过与原有介孔碳材料相同的处理后,对其电化学特性进行测试。同时还对比测试了酚醛树脂碳整体膜材料(Z-FDU-16)以及机械球磨法制备的介孔酚醛树脂碳粉末材料(Q-FDU-16)的电化学性能。实验结果表明,一步法制备的介孔酚醛树脂碳材料在较小电流密度下显示出较原有介孔酚醛树脂碳材料更高的比容量。但由于该类材料的阻抗过大,使得其在高电流密度下的比容量下降过快,在实际应用中存在着不足。  4.以邻苯二胺、均苯四甲酸二酐和表面活性剂F127为原料,通过两步法制备得到聚酰胺酸后引入F127成孔,经过进一步的亚酰胺化制得了聚酰亚胺多孔聚合物。将该材料高温碳化之后便得到聚酰亚胺基多孔碳材料,并以此为电极活性物质应用于超级电容器,测试相关的电化学性能。实验结果表明:单一的聚酰亚胺碳材料直接作为电极材料时,其电化学性能非常的不理想,无法直接使用;通过进行简单的酸洗改性后,该类材料的电化性能有所提高;通过在材料中引入多孔结构,使得聚酰亚胺碳材料的电化学性能得到质的变化。最后得到的利用F127成孔且进行酸洗的聚酰亚胺碳材料N-PC-1显示出的比容量高达244Fg-1,是未经任何处理的单一聚酰亚胺碳材料PC-0的5倍以上。
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