超级电容器概述（重要） - 图文 

大连理工大学硕士学位论文

超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究

姓名：农谷珍申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：李文翠

20090601

人连理ｌ：人学硕十学位论文摘要超级电容器是一种新型的储能原件，由于它具有充放电速度快，功率密度高，寿命长，免维护，环境友好等特点，受到国内外科学家的广泛关注。其中电极材料的性质和电解液的类型是影响超级电容器性能的关键因素。如何提高电容器的电容值和能量密度是人们研究的重点。本论文分别合成了具有不同空间结构的中孔炭材料和空心炭球，并将其应用于电极材料，期望从不同角度理解电极材料的微结构与超级电容器的电化学行为之间的关系；在此基础上进一步将中孔炭与二氧化锰掺杂构造锰炭复合电极材料，以期通过赝电容效应提高超级电容器的比电容值。论文首先以有序中孔硅为模板，糠醇为炭源，采用模板法制备了具有不同有序结构的中孔炭材料。从ＸＲＤ、ＴＥＭ和氮气物理吸附分析结果发现所得到的炭材料具有规则的孔道结构，比表面积高，孔径分布可控。电化学性能测试结果表明孔的空间构型对材料的电化学行为有一定的影响。材料的中孔孔道结构越丌放，孔道越直，越有利于电解液离子接近电极材料的微孔表面，从而提高微孔比表面积的利用率，提高电极材料的比电容值。为探讨不同形貌炭材料对超级电容器电极材料的影响，论文以二羟基苯甲酸和甲醛为原料，在醇溶剂中通过自组装法一步合成聚合物球，并在惰性气氛一Ｆ炭化得到颗粒尺寸不同，高比表面积的微纳米级炭球。将聚合物球与Ｆｅ“溶液进行离子交换，在惰性气氛下炭化可得到具有石墨化结构的炭球。经电化学测试发现炭球具有的微孔率越高，比表面积越大，材料的电化学性能越好。为构造锰炭复合电极材料，以ＫＭｎ０４与Ｍｎ（ＡＣ）２＂４Ｈ２０为原料，采用液相沉淀法合成ａ．Ｍｎ０２材料。考察了其在不同电解液中的电化学性能，发现Ｍｎ０２电极在０．５ＭＮａ２Ｓ０４溶液中表现出良好的电化学性能，其比容量为１４５Ｆ．９１。为提高所制备ａ．Ｍｎ０２的比表面积和电导率，将适量具有规则结构的介孔炭（ＯＭＣ）添加到ａ．Ｍｎ０２中，制备得到Ｍｎ０２／ＯＭＣ复合阳极材料。研究了掺炭量对锰／炭复合电极材料电化学性能的影响，电化学测试结果表明当掺炭量为２０％的锰／炭复合物阳极材料的比电容值高达１８２Ｆ－ｇ－１，且具有良好的电化学稳定性。关键词：超级电容器；中孔炭材料；炭球；二氧化锰ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｄｅＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＳｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒＡｂｓｔｒａｃｔＳｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｌＳａｎｅｗｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｄｅｖｉｃｅ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｒａｐｉｄｃｈａｒｇｅ．ｄｉｓｃｈａｒｇｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ，ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｆｒｅｅ，ｌｏｎｇｃｙｃｌｅｌｉｆｅａｎｄｆｒｉｅｎｄｌｙｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｈａｓｆｏｃｕｓｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｉｎｔｅｒｅｓｔａｌｌｏｖｅｒａｒｅｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｗｈｉｃｈｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｖａｌｕｅａｎｄｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｉｓｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｂｅｈａｖｉｏｒ，ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎａｎｄｃａｒｂｏｎｓｐｈｅｒｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄ．ＢａｓｅａｄｄｅｄｉｎｔｏＭｎ０２ｍａｔｅｒｉａｌｔＯｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｂｏｖｅ，ｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ａｆｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎ（ＯＭＣ）ｉｓｆｏｒｍＭｎ０２／ＯＭＣｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｖａｌｕｅｗｉｌｌｂｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｓｅｕｄ．ｃａｐａｃｉｔｏｒｓｉｌｉｃａｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｅｍｐｌａｔｅｓ，ｆｕｒｆｕｒｙｌａｌｃｏｈｏｌａｓｃａｒｂｏｎｐｒｅｃｕｒｓｏｒ．Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｖｉａｎａｎｏｃａｓｔｉｎｇｐａｔｈｗａｙ．ｎｅｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｍｅｓｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＭＣｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙＸ．ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｐａｒｅｄｃａｒｂｏｎｓｃａｒｂｏｎ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｏｒｅｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓｉｎｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｓｓｈｏｕｌｄｂｃａｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓｏｎｅａｏｆｔｈｅｃｒｕｃｉａｌｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｆｉｘｅｄｌｏａｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎ．Ａｔｓｔｒａｉｇｈｔｅｒｔｈｅｏｐｅｎｐｏｒｏｕｓｃｈａｎｎｅｌｓａｒｅ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｗｉｌｌｂｅ．Ｍｅｓｏｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｕｔｉｌｉｔｙｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃａｒｅａｓ．Ｃａｒｂｏｎｓｐｈｅｒｅｗａｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｖｉａｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｍｅｔｈｏｄ，ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｂｅｎｚｏｉｃａｃｉｄｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅａｓａｎｄｔｈｅｐｏｌｙｍｅｒｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ，ｌｙｓｉｎｅａｓｃａｔａｌｙｓｔ，ａｎｄａｌｃｏｈｏｌｓａｓｓｏｌｖｅｎｔ．Ａｆｔｅｒｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓａｍｐｌｅｗａｓｔｈｅｎｃａｒｂｏｎｉｚｅｄｕｎｄｅｒＮ２ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ。Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔａｎｔｃａｒｂｏｎｓｈａｖｅｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．１ｎｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｓｐｈｅｒｅｓｗｅｒｅｏｎａｒｅａａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｈａｐｅａｎｄｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｈａｐｅａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．ＴｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｐｏｌｙｍｅｒＦｅ¨ｔｏｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｏｎｓｐｅｃｉｅｓ．ｓｕｂｊｅｃｔｔｏｉｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅｗｉｔｈＦｏｌｌｏｗｅｄｂｙｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｔｅｐ，ｈｏｌｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｐｈｅｒｅｓｗｉｔｈｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄｎａｔｕｒｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．１ｎｂｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃａｒｂｏｎｓｐｈｅｒｅｓｗｉｔｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｈｉｇｈｍｉｃｒｏｐｏｒｏｃｉｔｙａｎｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｗｅｌｌｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．ｒｅａｃｔａｎｔｓ。Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｎａ－Ｍａｎｇａｎｅｓｅｄｉｏｘｉｄｅｗａｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｌｉｑｕｉｄ．ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｐｏｔａｓｓｉｕｍｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ（ＫＭｎ０４）ａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｍａｎｇａｎｅｓｅａｃｅｔａｔｅ（Ｍｎ（Ａｃ）：！）ａｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｔｈａｔｂｙａｓ—ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄａ－Ｍｎ０２ｓｈｏｗｅｄｃｙｃｌｉｃｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙｍｅｔｈｏｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｉｔａ－Ｍｎ０２ｅｘｈｉｂｉｔｅｄｎｅａｒｌｙｉｄｅａｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ—Ｉｌ—人连理Ｉ：人学硕十学位论文ｂｅｈａｖｉｏｒｉｎ０．５ＭＮａ２Ｓ０４ｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｗａｓ１４５Ｆ?‘１．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅｏｒｄｅｒｅｄｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓｏｆａｍｏｕｎｔｏｆ０ＭＣａｒｅａａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆａ－Ｍｎ０２，ｃｅｒｔａｉｎａｍｏｕｎｔｏｆｃａｒｂｏｎ（ＯＭＣ）ｗａｓｏｎａｄｄｅｄｔｏｆｏＩＴｎＭｎ０＃０ＭＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｏｆＭｎ０２／０ＭＣａｎｏｄｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｗｈｅｎ２０ｗｔ％ｏｆＯＭＣｗａｓａｄｄｅｄ．ｔｈｅＭｎＯｚ／ＯＭＣａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｗｉｔｈｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃａｌｌｒｅａｃｈｅｄｔｏ１８２Ｆ?ｇ－１．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＭｅｓｏｐｏｒｏｕｓＣａｒｂｏｎ；ＣａｒｂｏｎＳｐｈｅｒｅ；ＭａｎｇａｎｅｓｅＤｉｏｘｉｄｅｌＩＩ—人迮理ｌ：人学硕十学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本入完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目作者签力导师签名