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新型金属/金属氧化物修饰炭电极材料及电化学性能

作　者: 陈晓妹
导　师: 胡中华
学　校: 同济大学
专　业: 物理化学
关键词: 电化学电容器电极材料改性活性炭 NiO RuO2
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

电化学电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,具有比传统电容器更高的比能量、比电池更高的比功率。电极材料是决定电化学电容器性能的主要因素,因此相关的工作一直是该领域学术界和工业界的研究热点。本文本着资源充分利用,以果壳为前驱体制备低成本、高性能的炭电极材料;采用纳米金属氧化物对炭材料修饰改性,提高炭材料电化学性能,使之同时兼备双电层电容和法拉第赝电容的性能。主要做了以下几方面的工作:选择废弃的胡桃果壳作为前躯体,采用改进的ZnCl₂化学法进行活化,制备活性炭电极材料。用氮吸附法、XRD、FT-IR、SEM、TEM、TGA等现代分析仪器表征。用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学方法研究了炭基电容器的性能。同时探讨了活化剂含量、活化温度及活化时间对活性炭电极材料的电化学性能影响。结果表明,制备的活性炭表面具有含氧官能团,为一种高微孔无定形炭材料,高达271.0F/g的比电容,低至0.25mA的漏电流和0.39Ω的等效串联电阻,较高的循环寿命,表现出优异的电化学电容行为。利用Ni（NO₃）₂溶液浸渍、热处理方法改性修饰活性炭,制备NiO表面改性活性炭电极材料。并通过电化学测试研究改性前后炭材料的电化学电容器性能,炭表面的NiO具有准电容效应,与活性炭原有的双电层电容构成了复合电容,改性后炭材料质量比电容可高达237.9 F/g,较改性前炭样提高了42.5%,同时面积比电容和体积比电容也有明显的提高。采用溶胶凝胶法制备RuO₂·nH₂O/活性炭的复合电极材料,沉积在活性炭表面的钌氧化物通常为无定形水合物,具有质子电子混合导电性,颗粒粒径较小且分散均匀,形成准法拉第电容,使得复合电极材料的比电容高达306.7 F/g,比原活性炭的比电容增加了51.5%的幅度,且保持了活性炭电化学电容器高功率的特性。本文利用NiO和RuO₂在活性炭表面修饰改性,通过简单可行的方法制备低成本、高性能的电化学电容器电极材料。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
第1章绪论  13-28
  1.1 引言  13-14
  1.2 电化学电容器分类和原理  14-21
    1.2.1 电化学电容器分类  14-15
    1.2.2 双电层电容器基本原理  15-18
    1.2.3 法拉第准电容器基本原理  18-21
      1.2.3.1 吸附型准电容  18-19
      1.2.3.2 氧化还原型准电容  19-21
  1.3 国内外电化学电容器研究与发展概况  21-26
  1.4 本论文学术构思与研究内容  26-28
    1.4.1 学术构思与思路  26
    1.4.2 研究内容  26-28
第2章实验方法与原理  28-34
  2.1 实验材料  28-29
    2.1.1 活性炭材料  28
    2.1.2 化学试剂与其它材料  28-29
  2.2 仪器设备  29
  2.3 电极制作方法和电容器装配  29-30
    2.3.1 电极制作  29
    2.3.2 电容器装配  29-30
  2.4 材料表征与性能测试分析  30-31
    2.4.1 自动氮吸附法  30
    2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)  30
    2.4.3 透射电镜(TEM)  30
    2.4.4 X射线衍射分析(XRD)  30-31
    2.4.5 热重分析(TGA)  31
    2.4.6 傅立叶转换红外光谱(FT-IR)  31
  2.5 电化学性能测试分析  31-34
    2.5.1 恒流充放电测试  31-33
    2.5.2 循环伏安法  33
    2.5.3 交流阻抗  33
    2.5.4 漏电流测试  33
    2.5.5 寿命测试  33-34
第3章高性能炭电极材料的制备及其电化学性能研究  34-50
  3.1 实验部分  34
    3.1.1 活性炭材料的制备与表征  34
    3.1.2 电化学电容器的组装与性能研究  34
  3.2 结果与讨论  34-48
    3.2.1 活性炭材料物理化学性质  34-38
      3.2.1.1 比表面积、孔结构及孔径分布  34-37
      3.2.1.2 微晶结构  37
      3.2.1.3 表面化学  37-38
    3.2.2 电容器的电化学性能  38-46
      3.2.2.1 比电容量及功率特性  38-41
      3.2.2.2 电容特性  41-42
      3.2.2.3 阻抗特性  42-44
      3.2.2.4 漏电流测试  44-45
      3.2.2.5 稳定性和寿命研究  45-46
    3.2.3 炭材料制备的影响因素研究  46-48
      3.2.3.1 活化温度  46-47
      3.2.3.2 活化时间  47-48
  3.3 主要结论  48-50
第4章浸渍法制备 NiO-改性炭材料及其电化学性能  50-63
  4.1 实验部分  50
    4.1.1 改性活性炭电极的制备与表征  50
    4.1.2 电极和电化学电容器制作及性能测试  50
  4.2 结果与讨论  50-61
    4.2.1 改性炭材料的表征  50-54
      4.2.1.1 比表面积、孔结构及孔径分布  50-52
      4.2.1.2 形貌研究  52-53
      4.2.1.3 改性炭材料热重分析  53-54
    4.2.2 改性炭电极电容器电化学性能  54-60
      4.2.2.1 比电容量及功率特性  54-56
      4.2.2.2 电容特性  56-57
      4.2.2.3 阻抗特性  57-59
      4.2.2.4 漏电流测试  59-60
    4.2.3 改性浓度对炭材料性能影响  60-61
  4.3 主要结论  61-63
第5章溶胶凝胶法制备 RuO_2-改性炭及其电化学性能  63-72
  5.1 实验部分  63
    5.1.1 改性活性炭电极的制备与表征  63
    5.1.2 电极和电化学电容器制作及性能测试  63
  5.2 结果与讨论  63-71
    5.2.1 改性炭材料物理化学性质  63-67
      5.2.1.1 比表面积、孔结构及孔径分布  63-65
      5.2.1.2 XRD图谱分析  65-66
      5.2.1.3 扫描电镜研究  66
      5.2.1.4 热重分析  66-67
    5.2.2 改性炭电极电容器电化学性能  67-71
      5.2.2.1 能量密度和功率密度  67-69
      5.2.2.2 电容特性  69-70
      5.2.2.3 阻抗特性  70-71
  5.3 主要结论  71-72
第6章结论与展望  72-74
  6.1 结论  72-73
  6.2 建议和展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-80
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  80

新型金属/金属氧化物修饰炭电极材料及电化学性能

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