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超级电容器电极材料的制备及其性能的研究

作　者: 王冠
导　师: 李宝华
学　校: 清华大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 超级电容器活性炭 NaOH 活化纳米石墨片非对称电容器
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

超级电容器具有容量大、功率密度高、寿命长、工作温限宽、电化学性能等特点，是一种高效、实用的能量储存装置。电极材料的性能决定了超级电容器的电化学性能。活性炭材料价格低廉、制备简单、电化学稳定性高，是最早应用于超级电容器的电极材料，一直以来是人们的研究重点之一。二氧化锰是一种新型高比容量电极材料，可应用于非对称电容器正极材料。导电添加剂是辅助电极材料发挥作用的关键因素。常用的导电添加剂有乙炔黑、炭纳米纤维等。目前，一种新型二维炭材料纳米石墨片因其具有良好的导电性得到了人们的关注。本论文采用石油焦为原料，利用NaOH化学活化法制备活性炭材料，并且组装成扣式电容器。对电容器进行恒电流充放电、循环伏安曲线以及交流阻抗等测试，分析其结果并对电容器的电化学性能进行了研究，考察了碱炭比对活性炭结构及其电容特性的影响。实验结果表明，碱炭比为2.5:1时，活性炭比表面积为929m²/g，在1M ET4NBF₄/PC电解液中比电容可达119F/g；碱炭比为3:1时，活性炭电极功率特性改善，大电流放电比容量衰减率降低。以膨胀石墨为原料，利用超声法制备纳米石墨片，用于超级电容器导电添加剂。按照不同的比例添加乙炔黑、纳米石墨片、炭纳米纤维制作活性炭电极。通过SEM和电化学测试手段对电极的微观形貌和电化学性能进行了研究。结果表明，二维纳米石墨片和乙炔黑同时加入，形成点面结合的接触方式，改善了电极物质间的导电性，提高了活性炭电极的比容量。以二氧化锰和活性炭为电极材料设计并组装了非对称超级电容器。解决了部分工艺问题，并对电容器器件性能进行测试。电容器比容量与设计理论容量一致。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-25
  1.1 研究背景和意义  9-13
    1.1.1 超级电容器的发展概述  10-11
    1.1.2 超级电容器的应用领域  11-13
  1.2 超级电容器的原理和分类  13-17
    1.2.1 双电层电容存储机理  13-15
    1.2.2 法拉第准（赝）电容存储机理  15-16
    1.2.3 超级电容器的分类  16-17
  1.3 超级电容器电极材料  17-22
    1.3.1 炭电极材料  17-21
      1.3.1.1 活性炭  18-19
      1.3.1.2 活性炭纤维  19-20
      1.3.1.3 炭气凝胶  20
      1.3.1.4 炭纳米管  20-21
    1.3.2 金属氧化物电极材料  21
    1.3.3 导电聚合物材料  21-22
  1.4 纳米石墨片应用于导电添加剂材料  22-23
  1.5 非对称电容器器件设计  23
  1.6 本课题选取的意义和研究内容  23-25
第2章实验部分  25-33
  2.1 实验原料、化学试剂及设备仪器  25
    2.1.1 原料来源  25
    2.1.2 化学试剂  25
  2.2 实验方法  25-27
    2.2.1 多孔炭材料的制备方法  26
    2.2.2 纳米石墨片的制备方法  26-27
  2.3 样品的表征  27-29
    2.3.1 扫描电镜（SEM）分析  27
    2.3.2 X 射线衍射（XRD）分析  27-28
    2.3.3 比表面积及空隙结构分析  28-29
  2.4 超级电容器组装及其电化学性能测试分析  29-33
    2.4.1 炭电极的制备  29
    2.4.2 超级电容器的组装  29-30
    2.4.3 循环伏安测试  30-31
    2.4.4 恒流充放电测试  31-32
    2.4.5 交流阻抗测试  32-33
第3章 NaOH 直接活化石油焦制备活性炭的电化学性能  33-42
  3.1 本章引论  33
  3.2 活性炭的结构表征与讨论  33-36
    3.2.1 活性炭的形貌观察  33-34
    3.2.2 活性炭 X 射线衍射分析  34-35
    3.2.3 比表面积及孔结构的测定  35-36
  3.3 碱炭比对活性炭电化学性能的影响  36-41
    3.3.1 循环伏安测试  37-38
    3.3.2 恒流充放电测试  38-40
    3.3.3 交流阻抗测试  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章纳米石墨片用于超级电容器导电添加剂的研究  42-54
  4.1 本章引论  42
  4.2 纳米石墨片的结构  42-44
  4.3 不同炭导电添加剂对超级电容器电化学性能的影响  44-52
    4.3.1 电极表面微观形貌  44-45
    4.3.2 循环伏安测试  45-47
    4.3.3 恒流充放电测试  47-49
    4.3.4 交流阻抗测试  49-50
    4.3.5 单独使用 GNPs 导电剂对电极性能的影响  50-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章二氧化锰/活性炭非对称电容器器件设计和组装  54-67
  5.1 本章引论  54
  5.2 二氧化锰的制备与表征  54-56
    5.2.1 二氧化锰的制备方法  54-55
    5.2.2 二氧化锰的结构  55-56
  5.3 电极材料电化学性能测试与电容器设计  56-60
    5.3.1 电极材料电化学性能测试  56-57
    5.3.2 非对称电容器的设计  57-60
  5.4 非对称电容器器件的组装  60-65
    5.4.1 扣式电容器组装  60-61
    5.4.2 叠片式电容器组装  61-63
    5.4.3 组装工艺中的问题及解决方案  63-64
    5.4.4 电容器性能表征  64-65
  5.5 本章小结  65-67
第6章结论  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  73

超级电容器电极材料的制备及其性能的研究

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