多孔碳材料的制备及其电化学性能研究(附件)【字数：12629】
摘 要摘 要超级电容器是一种新型的能源转换与储存的装置，具有充放电速度快，比容量大，循环寿命长，无污染等优点，有很大的发展前景。超级电容器的性能由电极材料所决定。本论文以聚乙烯醇（PVA）为原料，经过KOH活化后在氮气下煅烧得到多孔碳材料，再通过扫描电镜测试其孔径与孔结构。实验采用场发射扫描电镜、X射线光电子能谱分析等表征技术对多孔碳电极材料的形貌和成分进行了表征，利用三电极体系对所制备的电极材料进行恒流充放电、循环伏安、电化学阻抗与循环稳定性能等电化学性能测试。然后把它作为电极材料测试其电化学性能。通过实验得到400℃下煅烧后的得到的多孔碳材料其孔径大于300℃下煅烧的产物，孔道结构更为丰富并且电化学性能更优。聚乙烯醇（PVA）经过KOH活化后其性能将得到大大的提升，容量提高了50％以上。未经过活化的材料1000圈过后的库伦效率为93％，而经过活化后的材料的库伦效率非常高，2500圈过后其库伦效率仍保持在96％以上。关键词超级电容器；电极材料；PVA；KOH活化；多孔碳材料。
目录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2超级电容器的能量存储机理 2
1.3 多孔碳材料 3
1.4 碳基复合材料 6
1.5 电解质 8
1.6研究思路和研究内容 9
第二章 实验部分 11
2.1实验药品 11
2.2 测试仪器 11
2.3 实验方法 11
2.3.1活性材料的制备 12
2.3.2电极材料的制备 12
2.3.3超级电容器电极的制备及测试 12
2.4材料的表征 13
第三章 结果与讨论 14
3.1 X射线衍射图谱分析及比表面积分析 14
3.2 扫描电镜（SEM）图分析 15
3.3 电化学性能测试及分析 16
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着科学技术的迅速发展，人口数量不断增加，人们对能源的需求越来越大，传统 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的化石能源的使用已经供给不足，并且会污染环境。超级电容器，也称为电化学电容器，是于充电电池和传统电容器之间的一种新型、高效、环保的储能装置。超级电容器相比于锂电池有着更大的电流密度以及更快的充电时间和更高的效率，相比于燃料电池，超级电容器成本更加低廉，并且可循环使用以及更加安全。然而，就目前而言超级电容器的发展以及使用是远远不如锂电池和燃料电池，原因是超级电容器比燃料电池和锂电池更晚开发以及超级电容器过快的充放电导致难以控制其安全性，除此之外，超级电容器的安全电压过低使它在驱动汽车的应用上受到制约。超级电容器的优缺点非常明显，如果我们能够在技术上取得突破，找到一种高性能的电极材料或改进超级电容器的制备方案从而改善超级电容器的安全性以及安全电压，那么它所拥有的超快的充电速度，超高的效率，超大的比容量必将改善能源的短缺以及环境的污染。因此超级电容器有着很大的发展前景。通常，在储能机制的基础上，超级电容器可以分为两类。一种是双电层电容器（EDLC），其中电容来自积聚在电极和电解质界面的纯静电电荷，因此它 强烈地依赖于电解质离子可接近的电极材料的表面积。另一类是赝电容器，其中由于电活性物质而发生快速和可逆的法拉第进程。这两种机制可以根据电极材料的性质同时发挥作用。 常规的三电极系统通常用于超级电容器电极材料的电化学性质的基础研究。然而，双电极电池通常用于评估超级电容器器件的性能，因为它接近超级电容器的实际应用。包括电流收集器，电极材料，分离器和电解质的四个主要部件封装在 EDLC 中。与电池不同，相同的有源电极材料通常用于超级电容器的两个电极中。传统的超级电容器通常是纽扣电池并且具有螺旋缠绕结构[13]。因此，高比表面积和电导率被用于电容器中的电解质。目前，已经对常规超级电容器的电极材料研究了各种碳基材料[4]。然而，通过使用活性炭电极可以制备大部分商业用途的电容器，因为其他碳材料如碳纳米管和石墨烯不能大规模地以低成本制备。由于常规超级电容器电极的导电性和机械性能通常不够高，所以必须使用诸如Ni泡沫的金属集电体。在常规的超级电容器中，酸性电解质将会腐蚀壳体和电容器的电流收集器。因此，经常考虑有机电解质。商用超级电容器的能量密度通常在36 kWh g1的范围内，功率密度在1015 kWhg 1范围内，循环稳定性大于500000次。
1.2超级电容器的能量存储机理
超级电容器中的主要储能机制源于多孔碳材料表面上离子的可逆静电积累。在EDLC中，通常使用相同的多孔碳材料作为正极和负极。 EDLCs的电容强烈依赖于电解质离子可接近的电极材料的表面/界面面积。当在两个电极之间施加电位差时，电解液中的阳离子将朝向负极化电极和电解质之间的界面移动，以平衡电子。同时，阴离子将平衡正极性极化电极和电解质之间的界面处的孔。结合亥姆霍兹和古伊 查普曼模型的EDLCs的斯特恩模型表明弥漫层中的离子物质的水动力学和靠近电极表面的离子的积累。[5]电极的总电容（Ct）可以由公式（1）表示：[6]
1/Ct=1/CH+1/CD （1）
其中CH和CD分别是亥姆霍兹层和diff使用层的电容。 基于多孔碳材料的EDLC的比电容通常小于200 F g 1。 赝电容和EDLC之间的主要区别在于赝电容是一种法拉第方法，其中在电极表面/界面处的电解质和电活性物质之间发生快速和可逆的氧化还原反应。 导电聚合物和过渡金属氧化物/氢氧化物是最常用的电活性材料，其提供赝电容[3]。常用的导电聚合物因为超级电容器电极是聚吡咯（PPy），聚苯胺（PANI）及其相应的衍生物。 通常，导电聚合物只能是p掺杂的，因为它们的氮掺杂电位远远低于普通电解质溶液的还原电位[7,8]当发生氧化时，离子从电解质转移到聚合物主链上。 该充电过程的简化方程表示如下：[9]
Cp→CPn+(A)n+ne
放电过程与上述方程相反。作为相反的情况，当发生还原时，电子输出和离子从主链释放到电解质中。应当注意，选择合适的电位范围对于使用导电聚合物作为电极材料是至关重要的。超过合适的电势窗口，导电聚合物将被降解。当电位太小时，导电聚合物将被切换到绝缘状态.[7]虽然PANI和PPY的理论特定电容分别为750 F g1和620 F g 1，但其测量的比电容率通常低于这些值。[9]为了改善导电聚合物对电位器的特异性电容，导电聚合物通常结合到多孔碳材料中以形成具有导电聚合物和碳材料之间的协同效应的复合电极。复合电导型聚合物和碳材料的比电容通常在200至1000 F g1[7]的范围内，远高于纯碳电极。作为超级电容器的电极材料，导电聚合物具有许多优点，包括通过化学改性的高电压窗口和高电压窗口以及可调节的氧化还原活性。然而，导电聚合物的膨胀和收缩通常在氧化还原过程中发生，导致电子材料的机械衰减并且在循环期间电化学性能的降低[10]。
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第一章 绪论 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2超级电容器的能量存储机理 2
1.3 多孔碳材料 3
1.4 碳基复合材料 6
1.5 电解质 8
1.6研究思路和研究内容 9
第二章 实验部分 11
2.1实验药品 11
2.2 测试仪器 11
2.3 实验方法 11
2.3.1活性材料的制备 12
2.3.2电极材料的制备 12
2.3.3超级电容器电极的制备及测试 12
2.4材料的表征 13
第三章 结果与讨论 14
3.1 X射线衍射图谱分析及比表面积分析 14
3.2 扫描电镜（SEM）图分析 15
3.3 电化学性能测试及分析 16
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着科学技术的迅速发展，人口数量不断增加，人们对能源的需求越来越大，传统 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的化石能源的使用已经供给不足，并且会污染环境。超级电容器，也称为电化学电容器，是于充电电池和传统电容器之间的一种新型、高效、环保的储能装置。超级电容器相比于锂电池有着更大的电流密度以及更快的充电时间和更高的效率，相比于燃料电池，超级电容器成本更加低廉，并且可循环使用以及更加安全。然而，就目前而言超级电容器的发展以及使用是远远不如锂电池和燃料电池，原因是超级电容器比燃料电池和锂电池更晚开发以及超级电容器过快的充放电导致难以控制其安全性，除此之外，超级电容器的安全电压过低使它在驱动汽车的应用上受到制约。超级电容器的优缺点非常明显，如果我们能够在技术上取得突破，找到一种高性能的电极材料或改进超级电容器的制备方案从而改善超级电容器的安全性以及安全电压，那么它所拥有的超快的充电速度，超高的效率，超大的比容量必将改善能源的短缺以及环境的污染。因此超级电容器有着很大的发展前景。通常，在储能机制的基础上，超级电容器可以分为两类。一种是双电层电容器（EDLC），其中电容来自积聚在电极和电解质界面的纯静电电荷，因此它 强烈地依赖于电解质离子可接近的电极材料的表面积。另一类是赝电容器，其中由于电活性物质而发生快速和可逆的法拉第进程。这两种机制可以根据电极材料的性质同时发挥作用。 常规的三电极系统通常用于超级电容器电极材料的电化学性质的基础研究。然而，双电极电池通常用于评估超级电容器器件的性能，因为它接近超级电容器的实际应用。包括电流收集器，电极材料，分离器和电解质的四个主要部件封装在 EDLC 中。与电池不同，相同的有源电极材料通常用于超级电容器的两个电极中。传统的超级电容器通常是纽扣电池并且具有螺旋缠绕结构[13]。因此，高比表面积和电导率被用于电容器中的电解质。目前，已经对常规超级电容器的电极材料研究了各种碳基材料[4]。然而，通过使用活性炭电极可以制备大部分商业用途的电容器，因为其他碳材料如碳纳米管和石墨烯不能大规模地以低成本制备。由于常规超级电容器电极的导电性和机械性能通常不够高，所以必须使用诸如Ni泡沫的金属集电体。在常规的超级电容器中，酸性电解质将会腐蚀壳体和电容器的电流收集器。因此，经常考虑有机电解质。商用超级电容器的能量密度通常在36 kWh g1的范围内，功率密度在1015 kWhg 1范围内，循环稳定性大于500000次。
1.2超级电容器的能量存储机理
超级电容器中的主要储能机制源于多孔碳材料表面上离子的可逆静电积累。在EDLC中，通常使用相同的多孔碳材料作为正极和负极。 EDLCs的电容强烈依赖于电解质离子可接近的电极材料的表面/界面面积。当在两个电极之间施加电位差时，电解液中的阳离子将朝向负极化电极和电解质之间的界面移动，以平衡电子。同时，阴离子将平衡正极性极化电极和电解质之间的界面处的孔。结合亥姆霍兹和古伊 查普曼模型的EDLCs的斯特恩模型表明弥漫层中的离子物质的水动力学和靠近电极表面的离子的积累。[5]电极的总电容（Ct）可以由公式（1）表示：[6]
1/Ct=1/CH+1/CD （1）
其中CH和CD分别是亥姆霍兹层和diff使用层的电容。 基于多孔碳材料的EDLC的比电容通常小于200 F g 1。 赝电容和EDLC之间的主要区别在于赝电容是一种法拉第方法，其中在电极表面/界面处的电解质和电活性物质之间发生快速和可逆的氧化还原反应。 导电聚合物和过渡金属氧化物/氢氧化物是最常用的电活性材料，其提供赝电容[3]。常用的导电聚合物因为超级电容器电极是聚吡咯（PPy），聚苯胺（PANI）及其相应的衍生物。 通常，导电聚合物只能是p掺杂的，因为它们的氮掺杂电位远远低于普通电解质溶液的还原电位[7,8]当发生氧化时，离子从电解质转移到聚合物主链上。 该充电过程的简化方程表示如下：[9]
Cp→CPn+(A)n+ne
放电过程与上述方程相反。作为相反的情况，当发生还原时，电子输出和离子从主链释放到电解质中。应当注意，选择合适的电位范围对于使用导电聚合物作为电极材料是至关重要的。超过合适的电势窗口，导电聚合物将被降解。当电位太小时，导电聚合物将被切换到绝缘状态.[7]虽然PANI和PPY的理论特定电容分别为750 F g1和620 F g 1，但其测量的比电容率通常低于这些值。[9]为了改善导电聚合物对电位器的特异性电容，导电聚合物通常结合到多孔碳材料中以形成具有导电聚合物和碳材料之间的协同效应的复合电极。复合电导型聚合物和碳材料的比电容通常在200至1000 F g1[7]的范围内，远高于纯碳电极。作为超级电容器的电极材料，导电聚合物具有许多优点，包括通过化学改性的高电压窗口和高电压窗口以及可调节的氧化还原活性。然而，导电聚合物的膨胀和收缩通常在氧化还原过程中发生，导致电子材料的机械衰减并且在循环期间电化学性能的降低[10]。
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