功能化碳材料的制備及其在超級電容器中的應用.pdf

1、超級電容器作為一種新型儲能裝置，集高能量密度、高功率密度、長使用壽命等特性于一身，是一種極具應用潛力的綠色能源，開展超級電容器的研究工作具有非常大的現(xiàn)實意義和社會效益。本論文主要研究了超級電容器的關鍵組成部分-電極材料。以碳材料為電極基體材料，選用不同的制備方法，改進其組成成分和微觀結(jié)構(gòu)，獲得了多種類型的具有高電容量的功能化碳電極材料。采用各種表征手段對其形貌和結(jié)構(gòu)進行表征，同時利用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等方法測試材料相應的電

2、化學性能。對相關的形成機理和結(jié)果進行了探討分析，旨在得到具備優(yōu)異電化學性能的碳電極材料。主要研究工作如下:
　　1.以nano-CaCO3為硬模板，三聚氰胺甲醛樹脂(MF)為碳源和氮源，制備出新型氮摻雜多級孔碳材料。通過改變模板加入量和碳化溫度，可以得到不同形貌和不同含氮量的多孔碳。含氮量高達20.9 wt％，具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)和高的比表面積（834 m2 g-1）。電化學測試結(jié)果表明:900℃碳化條件下，模板比例高的樣品具有最高

3、的電容值283 Fg-1(1 A g-1)，此外，電極還展示了優(yōu)異的倍率性能和長時間充放電循環(huán)穩(wěn)定性。該方法簡便，模板成本低，為合成多孔碳材料提供了新的思路。
　　2、通過簡單的水熱法制備了石墨烯/Ni(OH)2復合電極材料，Ni(OH)2呈現(xiàn)出納米線和納米片兩種形式，均勻的負載在石墨烯片上，包括α和β兩種晶相。我們對其形成機理進行了詳細的探討和分析。與石墨烯和純Ni(OH)2材料相比，復合材料具有更高的比電容值（970 Fg-1

4、），優(yōu)良的倍率性能和較好的穩(wěn)定性。其原因總結(jié)如下:Ni(OH)2具有優(yōu)異的贗電容性質(zhì)，與石墨烯復合后可以大大提高材料的整體電容值;石墨烯作為結(jié)構(gòu)支撐材料，避免了Ni(OH)2在充放電過程中發(fā)生嚴重的聚集，增加電解液離子與活性位點的接觸面積，提高材料的導電性;石墨烯的存在有效地改善了材料的倍率性能和穩(wěn)定性。
　　3、以SiO2球作為間隔物，離子液體(IL)作為結(jié)構(gòu)導向劑，采用低溫水熱法合成了功能化的3D分級多孔石墨烯材料，該材料具有

5、豐富的大孔和介孔，比表面積高達341 m2 g-1。SiO2的引入為材料提供了大量開放性的大孔，IL附著在石墨烯片上可以防止其在后處理過程中發(fā)生堆疊，并且改善石墨烯的導電性。這種獨特的3D分級孔結(jié)構(gòu)促進了電解液離子的擴散和電荷轉(zhuǎn)移，繼而提高了材料的利用效率。低溫處理保留的大量含氧官能團，提高了材料的親水性，而且在充放電過程中產(chǎn)生贗電容。實驗結(jié)果表明，該材料具有高的比電容值，好的倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，組裝的對稱兩電極電容器擁有