电极材料孔结构与离子特性的相关性研究

论文摘要

本文以石油焦为原料,采用KOH活化法,制备出一系列孔结构不同的活性炭材料,以此作为超级电容器的电极材料。采用离子尺寸差异较大的有机电解质及离子液体溶于不同的溶剂中,作为超级电容器电解液。采用两电极及三电极的方法,通过恒流充放电,循环伏安,交流阻抗等电化学手段考察了电极材料孔结构及电解液离子尺寸之间的匹配关系。结果表明,离子的差异对电容性能的有着显著的影响,对于孔径尺寸较小的SAC-R1材料,在四丁基铵四氟硼酸盐电解液中正负极的比电容分别为113和7 F·g-1,表现出不对称的电容行为。在负极,四丁基铵阳离子的尺寸与电极材料的孔径较为接近,在电容器充电过程中材料表面达到电荷饱和状态,导致负极的比电容极为微小。材料表面最大电荷存储量的理论计算与实验结果有着很好的一致性,表明用于阳离子电荷存储的电极孔隙空间不够发达,进而使得负极的电容行为较差。然而,四氟硼酸根阴离子可以进入到正极电极材料大多数孔道中,电极未发生电荷饱和效应,表现出优异的电容行为。随着离子液体烷基链的增长,正负极的电容差异逐渐明显,显示出孔结构与离子尺寸匹配的重要性。不同溶剂中的电化学行为研究表明,离子进入电极材料孔结构中发生部分的溶剂化效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 电化学电容器
• 1.1.1 发展历程
• 1.1.2 应用领域
• 1.2 超级电容器原理
• 1.2.1 双电层电容原理
• 1.2.2 法拉第准电容原理
• 1.2.3 混合电容器原理
• 1.3 电极材料
• 1.3.1 碳电极研究
• 1.3.2 金属氧化物电极材料
• 1.3.3 导电聚合物电极材料（ECP）
• 1.4 活性炭电极材料
• 1.4.1 表面化学环境对电容性能的影响
• 1.4.2 孔径分布（PSD）对电容性能的影响
• 1.5 电解液
• 1.5.1 水系电解液
• 1.5.2 有机系电解液
• 1.5.3 固态电解质
• 1.5.4 离子液体（ionic liquid）
• 1.6 发展方向
• 第2章 实验部分
• 2.1 原料及化学试剂
• 2.2 主要仪器设备
• 2.3 制备工艺及流程
• 2.3.1 粉碎、筛分
• 2.3.2 浸润
• 2.3.3 炭化、活化
• 2.3.4 洗涤、烘干、保存样品
• 2.3.5 孔结构表征
• 2.4 电化学表征
• 2.4.1 电容器活性炭电极的制备
• 2.4.2 超级电容器的组装
• 2.4.3 电容性能测试
• 第3章 电解材料孔结构对电容性能的影响
• 3.1 活性炭材料比表面积与孔结构的分析
• 3.2 电极材料孔结构对电化学性能的影响
• 3.2.1 两电极恒电流充放电曲线
• 3.2.2 两电极容量保持率
• 3.2.3 两电极循环伏安特性曲线
• 3.2.4 三电极恒电流充放电曲线
• 3.2.5 Bu-PC中不同电极材料比电容
• 3.2.6 三电极循环伏安特性曲线
• 3.3 正负极不对称电化学行为研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 离子液体的高低温性能研究
• 4.1 电极材料
• 4.2 电解液
• 4.2.1 电导率
• 4.2.2 粘度
• 4.2.3 离子液体的空间结构
• 4.3 取代烷基链长度对离子液体电容性能的影响
• 4.3.1 两电极恒电流充放电曲线
• 4.3.2 两电极容量保持率曲线
• 4.3.3 两电极循环伏安特性曲线
• 4.3.4 三电极恒电流充放电曲线
• 4.3.5 不同离子液体的质量比电容
• 4.4 温度对离子液体电容性能的影响
• 4.4.1 两电极恒电流充放电曲线
• 4.4.2 两电极容量保持率曲线
• 4.4.3 两电极循环伏安特性曲线
• 4.4.4 三电极恒电流充放电曲线
• 4.4.5 60℃下离子液体的质量比电容
• 4.5 本章小结
• 第5章 离子扩散取向性问题初步研究
• 5.1 在A轴取向上
• 5.2 在B轴取向上
• 5.3 在C轴取向上
• 5.4 在范德华半径取向上
• 5.5 本章小结
• 第6章 主要结论与工作展望
• 6.1 论文主要结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢