多孔碳材料的制备及其在固态超级电容器中的应用研究

作     者：徐培培 

作者单位：湖北民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王金收

授予年度：2022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：生物质 多孔碳 KOH活化 超级电容器 

摘      要：随着环保意识的提高,超级电容器作为一种新型的低成本、高功率密度、长使用寿命、清洁无污染的储能器件而得到了人们广泛的认可,因此具有良好的应用前景。另一方面,随着柔性可穿戴电子工艺的不断发展,小型可折叠电子设备正在走进我们的生活,也成为未来电子设备发展领域的趋势,如何使这些新型柔性可折叠电子设备变成现实,就需要人们开发出与之相匹配的柔性电子储能器件。据报道,超级电容器的性能主要由电极材料决定。目前,商用超级电容器主要使用碳材料组装,但碳材料制备的超级电容器能量密度较低,且满足不了日益增长的市场需求。因此制备具有优良电化学性能的碳材料是解决超级电容器问题的突破口之一。基于此,本文制备了三种不同类型的多孔碳材料,并组装成了固态超级电容器。通过一系列的表征手段和测试方法对所制备的多孔碳材料和固态超级电容器进行了研究。主要研究内容如下:(1)以蜣螂前翅为碳源,采用了一种操作简单,成本低廉的方法制备了N自掺杂多孔碳,所制备的多孔碳材料具有比表面积大、孔隙率高等优点。测试结果表明,当电流密度为0.5 A·g时,基于蜣螂前翅的多孔碳电极的比电容高达348F·g。此外,由该电极和KOH/PVA电解质组装而成的固态对称超级电容器显示出高能量密度和良好的循环稳定性。三个串联的固体超级电容能够点亮红色二极管,表明该超级电容器在储能领域有着潜在的应用前景。(2)本部分以龙虱的前翅为原材料,先高温碳化,随后用KOH活化碳材料制备多孔碳,并研究了KOH对多孔碳结构以及电化学性能的影响。研究表明,在6 M KOH电解质中,当电流密度为0.5 A·g的时比电容高达379 F·g;当电流密度为20 A·g时,比电容仍然有255 F·g,说明该电极倍率性能良好。另外,用基于该材料的电极组装成了固态超级电容器,以硫酸锂作为电解质时,在功率密度为449.81 W·kg,能量密度高达18.18 Wh·kg,且该超级电容器具有良好的稳定性(当电流密度为1 A·g时充放电10000次,其电容保持率为92%)。(3)本部分以1,4-吡嗪二甲醛和三(4-氨基苯基)胺为构筑基元制备了共价有机框架(COFs)材料,并以该COFs为碳源,制备多孔碳材料,制备的基于COFs的碳材料比表面积大、孔隙率高、同时具有高的N、O掺杂。研究表明,基于该材料的电极在0.5 A·g的电流密度下比电容为415 F·g,所组装的固体电极在0.5 A·g时比电容为288 F·g,能量密度为10 Wh·Kg。此外,该固态超级电容器显示出良好的循环稳定性和优异的倍率性能。串联的三个超级电容器,可以将二极管点亮。