三維多孔碳的設(shè)計(jì)、制備及其作為超級(jí)電容器電極材料的性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器具有功率密度高、充電耗時(shí)短、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有潛在的市場(chǎng)需求，因而是當(dāng)今儲(chǔ)能器件研究的熱點(diǎn)之一。超級(jí)電容器的容量、能量密度和功率密度與電極材料性能密切相關(guān)。與低維碳材料相比，三維多孔碳不僅具有豐富的孔隙、較大的比表面積，而且形成了三維連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，既可直接作為電極材料，也可作為贗電容材料的有效載體，在高性能超級(jí)電容器中具有良好的應(yīng)用前景。因此，三維多孔碳的設(shè)計(jì)與制備近年來深受研究

2、者的重視。
　　本文以三維多孔碳材料為主要研究對(duì)象，利用模板法制備了不同孔徑的三維多孔碳，通過與MnO2復(fù)合、氮、氧摻雜等方法提高了電極的電化學(xué)性能。具體的研究?jī)?nèi)容和所獲得的結(jié)果如下：
　?。?）以聚乙烯醇為碳源，NaCl為模板，通過簡(jiǎn)單的碳化工藝制備了三維多孔碳，研究了產(chǎn)物的形貌與結(jié)構(gòu)。利用KMnO4的強(qiáng)氧化性，在多孔碳上生長MnO2，獲得了不同晶型、不同納米形貌的C/MnO2復(fù)合材料。將它們用作超級(jí)電容器的電極材料，較為

3、系統(tǒng)地研究了電化學(xué)性能。結(jié)果表明：三維多孔碳為MnO2提供了良好的導(dǎo)電支撐，有利于電子的快速傳輸；比表面積大的MnO2納米形貌有助于增大與電解液的反應(yīng)面積，從而提高了復(fù)合材料的比容量；水鈉錳礦相的MnO2比α-MnO2能夠提供更大的贗電容容量。因此，具有互聯(lián)納米片結(jié)構(gòu)的C/MnO2復(fù)合材料電極的電化學(xué)性能最優(yōu)。當(dāng)充放電電流密度為0.5A/g時(shí)，具有代表性的電極擁有132F/g的容量，在2A/g的電流密度下充放電循環(huán)1000次后，其容量保

4、持在116F/g，沒有明顯的衰減。
　?。?）以SnCl2為模板，聚丙烯腈為碳前驅(qū)體和氮源，采用靜電紡絲技術(shù)制備了自支撐的氮、氧摻雜多孔碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)作為電容器電極時(shí)，多孔碳納米纖維表現(xiàn)出高的質(zhì)量比容量、優(yōu)異的快速充放電性能和長的使用壽命。在0.2A/g的電流密度下，電極的容量達(dá)到了233.1F/g，即使電流密度增至14A/g，也依然擁有130.2F/g的容量。在2A/g的電流密度下循環(huán)4000次后，該電極保持了90.17％的

5、初始容量。優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于電極材料所具有的特殊結(jié)構(gòu)和形貌：碳納米纖維形成了連續(xù)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠減小電極的內(nèi)阻，促使電子快速傳輸和電解質(zhì)離子迅速擴(kuò)散；豐富的孔隙極大地增加了碳納米纖維的比表面積，使電極獲得了較高的雙電層容量；氮、氧相關(guān)的官能團(tuán)存在極大地改善碳納米纖維的潤濕性和導(dǎo)電性，同時(shí)大幅增加了電化學(xué)活性位點(diǎn)。由多孔碳納米纖維組裝成的對(duì)稱電容器，其容量和最大能量密度分別達(dá)到了37F/g和5.14Wh/kg；當(dāng)多孔碳納米纖維與C