论文部分内容阅读
超级电容器由于具有高功率密度、快速充放电特性和长循环稳定性而受到越来越多的关注。为了扩宽超级电容器的市场应用范围,研究人员一直通过开发新颖的电极材料来提高超级电容器的能量密度。这其中,生物质基分级多孔炭因其具有价廉易得和多尺度孔结构的特点而引起研究人员的极大兴趣。然而,大多数生物质基碳材料的亲液性较差,孔隙率较低,这严重限制了碳基超级电容器电化学性能的提升。本文以稻壳为生物质前驱体,利用稻壳中的二氧化硅作为模板结构,通过化学活化法制备出一系列稻壳基分级多孔炭材料,系统研究了单一活化剂和混合活化剂对碳材料浸润性、孔隙率、表面组成的影响,考察了不同亲液性稻壳炭在酸性电解液中的各项电化学性能,并对其实际储能应用进行测试,最后研究了超亲液稻壳基多孔炭在有机电解液中的相应电容性能,具体研究成果如下:（1）提出了一种高效的用于制备有着微/纳分级结构的超亲液稻壳基多孔炭的方法。稻壳基多孔炭的制备工艺包括碳化、碱煮、化学活化,本文分别以NaOH、KOH和两者的特定混合物为活化剂,选取NC-3、KC-3和NKC-3为代表性碳样,进行一系列物理表征。氮气吸/脱附测试结果表明,三种碳材料中,NKC-3的比表面积最大(2747 m2 g-1),同时孔径分布较宽,具有高度发达的孔隙率。XPS测试结果表明,相比NC-3和KC-3,NKC-3不仅具有最高的氧原子掺杂量（9.86%）,而且在表面含氧官能团中,羟基的比例也是最大的。静态接触角测试中,只有NKC-3与1M H2SO4的接触角小于5°,达到超亲液。上述结果表明共活化法制备出的稻壳基碳材料具有超亲液性和高孔隙率,这为其之后的储能应用打下基础。（2）探究了稻壳基多孔炭在酸性电解液中的电化学性能。分别以NC-3、KC-3和NKC-3三种碳材料为电极活性材料,1M H2SO4为电解液,组装成对称型超级电容器。循环伏安测试中,相同扫速下NKC-3的矩形积分面积最大,说明其储能最多,扫速为5mV s-1时,NKC-3的比电容为199.4 F g-1。电化学阻抗测试结果表明,NKC-3在三者中具有最小的等效串联电阻、电荷转移电阻和扩散电阻,这得益于NKC-3的高羟基含量、高孔隙率和超亲液性。恒流充放电测试中,电流密度为0.5 A g-1时,NKC-3的比电容为194.6 F g-1,远高于NC-3和KC-3,并且电流密度增加到20 A g-1时,NKC-3的比电容仅下降了14.1%,具有优异的倍率特性。10000圈的恒流充放电循环后,比电容的保持率为95.6%,表现出卓越的循环稳定性。这些突出的电化学性能,说明NKC-3碳材料是非常有前景的高性能超级电容器电极材料。（3）研究了超亲液稻壳基多孔炭在有机电解液中的电化学性能。静态接触角测试结果表明,NKC-3对1M Et4NBF4/PC溶液超亲。以1M Et4NBF4/PC为有机电解液,测试两电极体系下NKC-3基超级电容器的电化学性能。循环伏安测试中,扫速从5 mV s-1增加到20 mV s-1,NKC-3的循环伏安曲线仍保持准矩形的形状,双电层电容特性明显。恒流充放电测试中,NKC-3在0.5 A g-1电流密度下的比电容值是138.3 F g-1,20 A g-1下仍保持88.1%,具有良好的倍率特性。10000圈恒流充放电测试后,NKC-3的比电容仅下降了11.1%,循环稳定性突出。电化学交流阻抗表明NKC-3具有较小的电阻,能保证快速的电子转移。当功率密度从310.5 W kg-1增加到10523.1 W kg-1时,NKC-3的能量密度仅从29.5 W h kg-1降到19.0 W h kg-1,能量损失较小,说明NKC-3基电容器能用于大功率储能和输出。