具有分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)碳基電極材料的制備及超級(jí)電容性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件，架起了電池和傳統(tǒng)電容器之間的橋梁。超級(jí)電容器的高功率密度彌補(bǔ)了電池功率不足的劣勢(shì)，并且兼具傳統(tǒng)電容器的超長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，因此，超級(jí)電容器在儲(chǔ)能領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注。
　　眾所周知，電極材料是超級(jí)電容器的重要組成部分，并且是影響其性能的重要因素之一。由儲(chǔ)能機(jī)理可知，構(gòu)建具有合理微中孔復(fù)合結(jié)構(gòu)和高比表面積的電極材料是提高超級(jí)電容器整體性能的一種有效方法。因此，本學(xué)位論文以構(gòu)

2、建具有分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的碳基超級(jí)電容器電極材料為目標(biāo)，開展了以下研究工作：
　　以具有微孔結(jié)構(gòu)的碳化物衍生碳（CDC）為基體，通過高溫催化法和KOH活化法分別制備了具有分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的微米級(jí)CDC和納米級(jí)CDC，并系統(tǒng)研究了所制備CDC的孔結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)儲(chǔ)能行為。結(jié)果表明：催化劑的存在誘導(dǎo)了微米CDC由無序碳結(jié)構(gòu)向有序碳結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并由此產(chǎn)生了大量孔徑在3.8nm左右的中孔，形成了微中孔復(fù)合結(jié)構(gòu)。催化處理后，微米級(jí)CDC的比表面積略有降

3、低（從2029m2 g-1降到1822m2 g-1），但是其比電容與原始微米級(jí)CDC比電容相當(dāng)，在5mV s-1的掃速下均為95F g-1。同時(shí)，催化處理后的微米級(jí)CDC功率特性得到很大提升，當(dāng)掃速達(dá)到500mV s-1時(shí)，循環(huán)伏安曲線仍能保持類矩形形狀。與催化法相比，KOH活化則明顯提高了納米級(jí)CDC的比表面積（從1531m2 g-1上升到2265m2 g-1），并且產(chǎn)生了大量孔徑在2～5nm范圍的中孔。由于活化后的納米級(jí)CDC比微米

4、級(jí)CDC具有更高的比表面積、更寬的中孔范圍，所以納米級(jí)CDC表現(xiàn)出更優(yōu)異的超級(jí)電容性能?；罨蟮募{米級(jí)CDC在5mV s-1的掃速下比電容為141F g-1，明顯高于微米級(jí)CDC的95F g-1，并且當(dāng)掃速達(dá)到5000mV s-1時(shí)，其循環(huán)伏安曲線仍能保持類矩形形狀，表現(xiàn)出良好的功率特性。
　　為了制備出超級(jí)電容性能更好的碳基電極材料，分別以化學(xué)剝離的石墨烯（RGO）和液相剝離的石墨烯（GNS）為對(duì)象，將上述活化后并具有分等級(jí)孔結(jié)

5、構(gòu)的納米級(jí)CDC（ACDC）引入到這兩種石墨烯層間，來構(gòu)建具有分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的石墨烯/納米級(jí)CDC復(fù)合材料。結(jié)果表明：納米級(jí)CDC的引入成功防止了石墨烯堆疊，打開了石墨烯層間的離子傳輸通道。這樣，不僅石墨烯的比表面利用率得到提高，而且納米級(jí)CDC的分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)也能被電解液離子充分利用。由于RGO中存在大量缺陷而GNS則具有較完整的石墨烯結(jié)構(gòu)，致使這兩種石墨烯/納米級(jí)CDC復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的電化學(xué)性能。RGO/ACDC復(fù)合材料比電容在5m

6、V s-1的掃速下最高達(dá)到195F g-1，其循環(huán)伏安曲線在5V s-1的掃速下仍能保持良好的類矩形形狀。而GNS/ACDC復(fù)合材料的比電容則為168F g-1，略小于RGO/ACDC復(fù)合材料，但是，GNS/ACDC復(fù)合材料展現(xiàn)出卓越的功率特性，其循環(huán)伏安曲線能在20V s-1的掃速下保持較好的類矩形形狀。
　　為了進(jìn)一步增強(qiáng)具有分等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的石墨烯/納米級(jí)CDC復(fù)合材料的整體電化學(xué)性能，將石墨烯進(jìn)行多孔化以增加其在垂直于石墨烯層

7、間方向的離子通道，并分別進(jìn)行N、F元素?fù)诫s來增加贗電容，并據(jù)此制備出N摻雜多孔石墨烯/納米級(jí)CDC復(fù)合材料（NPG/ACDC）和F摻雜多孔石墨烯/納米級(jí)CDC復(fù)合材料（FPG/ACDC）。由于贗電容的引入，NPG/ACDC復(fù)合材料和FPG/ACDC復(fù)合材料的比電容分別高達(dá)328F g-1和321F g-1。這兩種復(fù)合材料還表現(xiàn)出了優(yōu)良的功率特性，其循環(huán)伏安曲線在高掃速下（500～1000mV s-1）均能保持較好的形狀。此外，這兩種復(fù)合