离子液体辅助制备多孔碳材料及其在超级电容器中的应用研究

作     者：郝晓凤 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牟文生;颜洋

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：超级电容器 离子液体 多孔碳材料 石墨烯 

摘      要：具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点的超级电容器是重要的储能器件。然而,其较低的能量密度无法满足下一代电子设备的高能量输出需求。提高超级电容器的能量密度的关键在于制备电化学性能优良的电极材料。室温离子液体由于不易挥发、热稳定性好、电化学窗口宽等特性,在电极材料的合成和电解液方面的应用越来越广泛。本论文主要研究利用离子液体辅助制备电化学性能优良的多孔材料应用于超级电容器中。主要概括为以下三个方面:(一)离子热法制备石墨烯基多孔碳及其在离子液体电解液中的双电层性能研究本章利用离子液体为溶剂合成电极材料,同时利用离子液体电解液制备高性能双电层电容器。其中利用离子液体为溶剂的离子热法合成的石墨烯基多孔碳(GPC)在水系和离子液体电解液中都表现出较高的比电容量。在水系电解液中2 A g-1电流密度下经过10000圈稳定性测试后,GPC碳材料的比容量保持率为94.2%,反映出GPC碳材料具有良好的长循环稳定性和倍率性。GPC碳材料在离子液体电解液能量密度最高值为90.4 W h kg-1,比相同条件下水系电解液的能量密度高8倍。(二)离子液体辅助制备氮—硫共掺杂多孔碳材料在超级电容器中的性能研究本章通过直接炭化离子液体制备电化学性能优良的N、S共掺杂石墨烯多级孔结构碳材料(GGI)。离子液体作为唯一杂原子源在材料中引入N,S元素,杂原子掺杂可以增加GGI材料与电解液的浸润性,同时增加GGI碳材料结构中的缺陷和活性位点。GGI碳材料具有较高比表面积和适宜的孔径分布,为电解液离子的快速传输提供了低内阻的扩散渠道。GGI碳材料在水系和离子液体电解液中都具有优良的电化学性能,GGI碳材料在离子液体电解液能量密度是水系电解液中的9倍。(三)离子液体还原氧化石墨烯材料的制备及其电化学性能测试本章介绍了一种利用离子液体制备还原氧化石墨烯材料(IL/rGO)的简单方法。超级电容器的电极材料采用IL/r GO复合材料,电解液为6 M KOH。嵌入石墨烯层间的离子液体可以有效防止层间的堆叠,同时增强电极材料和电解液之间的浸润作用。IL/rGO碳材料在水系电解液中表现出良好的的电化学性能,这可以归功于材料较大的比表面积和较好的导电性。