生物质基多孔炭材料制备及其超电容特性研究

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超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能器件,近些年来由于其具有高功率特性、长循环寿命和绿色环保等优点而受到广泛关注。相比起传统电容器和二次电池,高功率特性是超级电容器的一个闪光点,即在一些对功率有苛刻要求的场合,其应当能够快速的完成充放电行为,然而不得不指出的是,超级电容器在储存容量上逊色于二次电池,因此高功率特性只有在保证高比电容基础上才更有意义。由超级电容器的储能机理可知,比电容大小主要取决于电极材料内部能够形成电双层的活性点位数量,高功率特性主要决定于电极材料内部扩散及传输通道,即孔径分布。因此,制备拥有高比表面积和合理孔径分布的电极材料是炭材料领域内的热点和难点。多孔炭基电极材料因具有高导电性、高化学稳定性以及廉价等优点而成为热点,是目前商业化电极材料最优选择,而生物质原料也因具有来源丰富、成本低、分布广、无污染和可再生等优点而受到青睐,结合两者的优势,生物质基多孔炭基电极成为电极材料发展方向之一。  本文工作主要制备了两种拥有高比电容和高功率特性的多孔炭基材料,用物理方法表针材料的形貌结构和化学测试衡量其超电行为(X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗、X射线光电子能谱),分析测试结果并建立结构与性能之间的关系。主要内容如下:  (1)采用玉米须作为前驱体,采用KOH一步活化法制备玉米须基多孔炭材料,其拥有以微孔占主导辅之三维交互大孔的内部结构,展现出1602 m2 g-1的高比表面积。经过电化学测试表明制备的多孔炭材料在电流密度为0.1 A g-1时比电容高达210 F g-1,同时拥有优异的倍率性能和循环性能,当电流密度从0.1 A g-1增大50倍即5 A g-1时,比电容仍能保持为原来的90%,而在电流密度为1 A g-1下循环10000次比电容仍可保持为97%。  (2)采用废弃棉线手套为前驱体,采用KOH两步活化法制备棉线纤维基多孔炭材料,所制备的材料拥有层次孔分布结构,展现出1435 m2 g-1的高比表面积。经过电化学测试表明制备的多孔炭材料在电流密度为0.1 A g-1时比电容高达218 F g-1,同时拥有优异的倍率性能和循环性能,当电流密度从0.1 A g-1增大至200倍即20 A g-1时,比电容仍能保持为原来的88%,而在电流密度为1 A g-1下循环5000次比电容仍可保持为96.3%。  (3)将所制备的两种具有高比电容和优异倍率性能的多孔炭材料与商业化的活性多孔炭材料对比以衡量其潜在的商业化价值。
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