导　　师： 赵旭;王子忱

学科专业： G0304

授予学位： 硕士

作　　者： ;

机构地区： 吉林大学

摘　　要： 超级电容器(EDLC)是一种崭新的储能设备。它具有充放电时间短、输出功率高、大电流放电特性好与循环效率高等突出优点。正是得益于这些优点,近年来在电动汽车、电网峰谷能量存储、大功率激光武器等军民用领域均得到了极大的发展。作为目前唯一投入商业化的超级电容器电极材料,碳电极材料是超级电容器研究中的重中之重。目前超级电容器的发展几乎取决于人们对碳材料的研究程度。在这种情况下,我们尝试制备具有新形貌与新的性能特性的碳纳米材料,并尝试改善了电极制备方法,来提高超级电容器的电容量与能量输出效率。我们首先以最常见的碳水化合物葡萄糖(glucose)为原料,在120℃-200℃的温度范围内,采用低温水热碳化的方法制备了一系列的纳米碳球(HCS)。考察起始葡萄糖溶液浓度、炭化温度、反应时间对产物形貌的影响。并通过设计实验讨论了葡萄糖低温碳化的原理。实验表明,获得最佳碳球形貌及最高原料转化率的反应条件如下：反应温度180℃,反应时间不低于8h,葡萄糖浓度大于0.5M。通过反应制备的碳微球形貌良好,呈规则的球形,大小较均一,且分散性较好。红外光谱等分析测试表明,所得碳球非单质碳球,而是具有复杂结构的低聚物小球。由于此类碳球碳化并不完全,成分中具有大量的有机物,化学性质并不稳定,导电性较差,不适合用做超级电容器电极材料。我们将这种材料通过热处理,转化为化学性质稳定,导电性更好的结晶碳。采用了简单的气相氧化法,制得活化纳米碳球。比表面积测定表明,活化前碳球比表面积为754.6m2/g,活化后增大为827.8m2/g,增大了约10%。经恒流充放电实验测得的比电容值分别为121.9F/g、139.7F/g,活化后碳球的比电容增大了15%。但是循环伏安测试表明,活化后的碳材料明显较活化前的碳材料内阻大,且图形偏离理想的矩形较多。这是由碳材料在活化后孔道结构变得更复杂,且碳材料在氧化后表面含氧官能团增多引起的。最后,我们尝试通过在泡沫镍集流体上直接生长碳纳米球来制备一种集成的电极。与传统的电极制备过程相比,这种方法在电极的制备过程中完全避免石墨与粘结剂等非活性物质的添加,提高电极中活性物质含量,从而增加电极的比电容。同时,因为避免了压片这一施加外力的过程,有利于材料与电解液中的充分接触,并且因为碳纳米球直接与基体相连,可以将这种类型的电极的内阻可以降到最小。恒流充放电测试表明,采用直接生长法和用压片法制备的碳纳米球电极相比,前者的比电容为150.6F/g,后者为121.9F/g,提高了19%。由10A/g的大电流恒流放电曲线可以看出,直接生长法可以很明显的减小IR降。循环伏安测试也表明,直接生长法制备的电极在相同的扫速下其循环伏安曲线更接近于矩形,即其电容行为更接近于理想电容。本论文通过沫镍集流体上直接生长碳纳米球制备超级电容器集成电极。与传统压片法相比,该电极的比电容有显著提高,循环伏安测试表明该电极材具有与理想电容相近的电容行为。

关 键 词： 碳纳米球 超级电容器 碳纳米材料 电容性能 碳球 纳米碳 溶液 低温碳化 比电容 反应时间 碳材料 碳电极 恒流充放电 比表面积 电极材料 分散性 集流体 非活性物质 压片法 循环伏安

分 类 号： [TM53]

领　　域： [电气工程]