多孔碳材料的结构设计及超级电容器性能研究

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1、中图分类号：TP34论文编号：102870617-B015学科分类号：080501博士学位论文多孔碳材料的结构设计及超级电容器性能研究研究生姓名王婕学科、专业材料物理与化学研究方向超级电容器多孔碳电极指导教师张校刚教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一七年五月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandEngineeringStructuralDesignandElectrochemicalPerformanceofPor

2、ousCarbonforSupercapacitorAThesisinMaterialsPhysicsandChemistrybyJieWangAdvisedbyProf.XiaogangZhangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMay,2017承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他

3、教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要超级电容器作为一种新型储能器件，具有高功率、长寿命、高安全性等优点，在交通运输、现代通讯、国防科技和航空航天等领域都可发挥重要作用。多孔碳材料是最常用的超级电容器用电极材料，但是受限于双电层的储能机制，其比电容和能量密度较低。为进一步提高超级电容器能量密度，本文通过对碳材料的微观结构进行设计和调控，制备了具有优异电化学性

4、能的多孔碳材料，探索了材料的制备工艺、结构和电化学性能之间的联系；并在此基础上，从器件结构角度构筑了兼具高功率密度和能量密度的超级电容器。(1)采用了层状结构生物质为前驱体，经碳化-活化制备了具有大比表面积以及氮、磷共掺杂多孔碳材料(SAC)。通过改变活化剂和前驱的比例可实现对SAC的比表面、孔结构分布和元21素掺杂的调控。最优情况下，制得SAC材料的比表面积可达到1134.2mg，氮、磷含量分别为6.88%及1.12%。氮元素和磷元素的掺杂不仅能够提高材料的导电性和改善其浸润性，还能够提供部分非法拉第电子转移赝电容。在6MKOH电解液和EMIMBF4离子液体电解液中

5、，碳111电极的比电容分别达310和120Fg(0.5Ag)，电容器的能量密度分别为11.7及37Whkg。采用同轴静电纺丝法，以正硅酸四乙酯的乙醇溶液为外轴电纺液，木质素的二甲基甲酰胺(DMF)溶液为内轴电纺液，利用溶液的界面互溶性，得到木质素@木质素/SiO2@SiO2纤维；经高温煅烧、HF刻蚀，得到了具有介孔壳/微孔核新颖结构的碳纳米纤维(DCNF)。DCNF的比表面积高21达870mg，并且DCNF中丰富的介孔与微孔相互连接，克服了传统碳纳米纤维在电化学应–1用中表现出有效利用面积低、比电容不高等缺陷。在EMIMBF4离子液体电解液中，在1Ag–1–1的

6、电流密度下，HPCF电极的比电容为133Fg；在20Ag的较大电流密度下，其比电容为−1–1–199Fg。电容器的能量密度可达56.6Whkg，功率密度可达113.8kWkg，并且在弯折状态下能保持稳定的性能。以多巴胺为碳源，具有层状结构的蒙脱石(MMT)为硬模板，通过多巴胺在MMT层状限域空间内聚合、碳化制备了氮掺杂的类石墨烯材料(CNG)。CNG具有丰富的褶皱结构，不仅避免了二维碳片的堆叠，还提供了离子快速传输通道。在EMIMBF4离子液体电11解液中，CNG电极的比电容达118Fg，电容器的能量密度达66Whkg。并且CNG材料具31有高的振实密度，电极的

7、体积比容量为90Fcm，电容器的体积能量密度高达51WhL。(2)采用LiCl/KCl/KNO3熔融盐体系，通过高温还原氧化石墨烯(GO)制备了氮掺杂石墨烯(MNG)材料。熔融盐既可作为模板，防止GO在高温还原过程中发生堆叠，又有助于促进碳材–1料在高温下形成长程共轭结构，修复GO的碳骨架。在EMIMBF4离子液体电解液中，在1Ag1的电流密度下，MNG电极的比电容为151Fg。MNG//MNG电容器不仅能量密度(可达50Wh11kg)及功率密度(可达96kWkg)突出，自放电速度远低于基于热还原石墨烯基电容器。I多孔碳材料的结构设