论文部分内容阅读
超级电容器是一种基于电极表面电荷吸/脱附实现充放电的新型储能器件,由于其极高的功率密度、优异的循环稳定性与安全性,受到了广泛的关注。电极作为核心部件,对超级电容器的性能起到了至关重要的作用。碳材料是目前研究最为广泛的电极材料,但是其性能仍然有待提高。因此,本文设计、合成了一种高度交联的聚合物网络,再将其碳化、氢氧化钾活化,制备了一系列多孔碳,实现了碳材料形貌与微观结构的调控,系统研究了多孔碳的超电容性能,并将所制备的二维多孔碳组装成柔性超级电容器,获得了优异的性能,具体研究内容如下:以对苯二胺和乙醛为原料,通过缩合反应合成了高度交联的对苯二胺-乙醛共聚物(英文简称PDAA)。将所合成的PDAA与KOH按不同的比例混合,之后在800°C进行碳化与活化处理,得到一系列富氮层次多孔碳材料PDAA-CKn(n=0,1,2,3),对其表面元素组成、微观形貌、比表面积、孔径及孔容分布等特性进行了系统分析与表征。随着活化剂KOH的比例不断增大,材料的孔壁厚度逐渐变薄,当PDAA:KOH比例增加到1:3时出现了由纳米片堆积的蜂窝状三维层次孔结构,比表面积高达2406 m2/g。我们将富氮层次孔多孔碳材料PDAA-CKn组装成扣式超级电容器,分别对其进行了循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)、循环寿命测试以及交流阻抗谱(EIS)等一系列电化学性能测试。并且,我们系统研究了PDAA-CKn(n=0,1,2,3)材料在碱性电解液(6M KOH)、中性电解液(1M NaSO4)和离子液体电解液(EMIMBF4)中的储能行为。研究表明,该系列碳材料在6M KOH电解液中具有最大的电荷存储能力。随着活化程度的提高(n增大),多孔碳材料的电荷存储能力逐渐增加。PDAA-CK3材料在6M KOH电解液中呈现最优的电荷存储能力,在电流为0.5 A/g时,质量比电容达到280 F/g,是典型的双电层电容。使用离子液体(EMIMBF4)为电解液可将超级电容器的电压窗口从0-1 V提高到0-4 V,并且质量比电容和基于水系电解液的超级电容器的质量比电容相当。因此,显著提高了器件在高功率密度下的能量密度。PDAA-CK3碳材料具有最高的能量密度为138 Wh/kg,此时功率密度为500 W/kg,在最高功率密度为9536 W/kg时,能量密度为102 Wh/kg。进一步,我们以EMIMBF4和6M KOH分别作为电解液,将PDAA-CK3碳材料组装成柔性超级电容器。以KOH为电解液的柔性超级电容器具有较高的比容量,当电流密度为0.5 mA/cm2时,电容值高达298 mF/cm2,当电流密度为10 mA/cm2时,比电容值仍保持在196 m F/cm2,所对应的库伦效率均在95%以上,弯曲测试2500圈后,比电容保持率依然高达87%。以EMIMBF4为电解液的柔性超级电容器具有很高的体积比电容,在0.42 A/cm3电流密度下体积比电容值高达51.1 F/cm3,能量密度为27.2 m Wh/cm3,此时功率密度为80 mW/cm3,当功率密度为1.6 W/cm3时,能量密度依然保持27.2m Wh/cm3,循环10000圈后,比电容保持为初始值的96%。弯曲10000次后比电容保持率可达78%。