多孔碳基复合材料制备及其电化学性能的研究.pdf

国内图书分类号: 学校代码: 10213 国际图书分类号: 密级:公开工学硕士学位论文多孔碳基复合材料的制备及其电化学性能研究硕士研究生: 刘道庆导师: 贾铮副教授申请学位: 工学硕士学科、专业: 化学工程与技术所在单位: 化工学院答辩日期: 2012 年 6 月授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: : Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDY ON THE PREPARATION AND ELECTROCHEMIACL PROPERTIES OF POROUS CARBON-POSITE MATERIALS Candidate : Liu Daoqing Supervisor : . Jia Zheng Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Chemical Engineering and Technology Affiliation : School of Chemical Engineering and Technology Date of Defence : June, 2012 Degree-Conferri ng-Institution : Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要多孔碳材料是当前电化学电容器最常用的材料,其性质决定了电化学电容器的能量密度和功率密度。多孔碳的种类繁多,其中包括活性炭、介孔碳、碳纳米管、石墨烯等,这些多孔碳涵盖了大孔、中孔、微孔材料。通过对这些不同种类的碳材料进行研究,有助于得出电容特性与多孔碳材料之间的关系,为制备出性能更为优异的多孔碳材料提供参考。本文制备了活性炭、介孔碳、石墨烯、活化石墨烯及其复合材料,对这些不同类型的多孔碳材料的孔结构、表面官能团等进行了分析,同时研究了各种因素对于不同碳材料的双电层电容性能的影响。另外,本文还制备了硫/活性炭复合材料,研究了其在锂硫电池中的性能。通过研究不同类型的集流体、粘结剂对于电化学电容器性能的影响,得出了制备电化学电容器的最佳工艺。研究结果表明,羧***纤维素钠和丁苯基橡胶混合粘结剂制备的电化学电容器在 1 M 的(C 2 H 5 ) 4 NBF 4 /PC 有机电解液中串联等效电阻很低,同时具有很好的倍率性能。采用 KOH 作为活化剂、石油焦为原料制备了具备高比表面积的活性炭材料。使用 XPS 分析发现,经过预氧化处理制备的活性炭表面含有更多的 C=O 官能团。在 50 mA·g -1的电流密度下,未经预氧化和预氧化处理制备的活性炭在 1 M 的(C 2 H 5 ) 4 NBF 4 /PC 电解液中的比电容值分别可以达到 150 F·g -1 和 180 F·g -1 , 同时发现充放电电压范围对其比电容值有很重要的影响。通过热复合制备了硫/ 活性炭复合材料,其在锂硫电池中首次充电比容量为 500 mAh·g -1,放电比容量为 300 mAh·g -1。该复合材料的循环稳定性较差,这表明硫与活性炭之间的结合较差,硫在充放电反应中生成了不可逆的锂硫化合物。通过水热法制备出短棒状的 SBA-15 ,以其为模板反相复制出短棒状 CMK-3 ,这种介孔炭在 V·s -1 扫速下的比电容值达到了 F·g -1。使用 KOH 还原、活化氧化石墨烯制备了活化石墨烯,碱碳比 5:1 时所制备的活化石墨烯材料的比表面积可达 2 ·g -1,电流密度为 2A·g -1时,其在有机电解液中的比电容值为 130 F·g -1 。本文还创新性的制备了活化的石墨烯/ 碳微球复合材料, 这种混合炭具有优于活性炭的电化学性能。改变碱碳比可调整混合碳材料的孔径分布,从而影响其双电层电容性能。关键词:多孔碳基复合材料;电化学电容器;活性炭;介孔炭;石墨烯- I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract The porous carbon material is the most co mmonly used materials in electrochemical capacitors, the nature of which determines the energy density and power density of electrochemi cal capacitors. P