新型活性炭的制备及其电化学性能研究

论文摘要

炭材料是一种广泛应用于电化学能源领域的电极材料,它因具有丰富的原料来源,简单的生产工艺,优越的物理化学特性,以及良好的电化学性能等优点,受到研究者的广泛关注。本文以生物质原料花生壳和茶籽壳,以及三聚氰胺-酚醛树脂作为碳源,分别用K2CO3,氧气和氮气的混合气体作为活化剂,制备出应用于超级电容器和锂离子电池的新型活性炭。本文主要内容如下：1.分别将花生壳和茶籽壳作为碳源,以K2CO3作为活化剂,制备了两种新型活性炭。花生壳质活性炭最佳制备工艺是：K2CO3与花生壳原料的质量比为1:1,升温速率为7℃min-1,活化温度为800℃,恒温时间为1h；茶籽壳质活性炭最佳制备工艺是：K2CO3与茶籽壳原料的质量比为1：2,升温速率为4℃min-1,活化温度为800℃,恒温时间为2 h。经活化后,花生壳质活性炭和茶籽壳质活性炭比表面积都迅速增加,分别高达1297 m2 g-1和1272 m2 g-1,并且电化学性能显著提高,比电容分别达到155 F g-1和150 F g-1,说明它们是适用于超级电容器的电极材料。2.通过共缩聚方法,优化合成条件,制备了三聚氰胺-酚醛树脂。利用它作为碳源,通过碳化和活化过程,制备了一种新型活性炭。树脂产率高达98.2%,最佳合成条件为：n苯酚：n三聚氰胺：n甲醛=2：1：2,pH=3,反应温度为75℃,反应时间为10 h；最佳碳化工艺为：升温速率为7℃min-1,碳化温度为700℃,恒温时间为1 h；最佳活化工艺为：升温速率为4℃min-1,活化温度为400℃,恒温时间为1 h。制备的三聚氰胺-酚醛树脂,为分散均匀的浅黄色颗粒,粒径大约为120 nm。经过碳化和活化,样品仍然能够保持前驱体良好的表面形貌。样品具有发达的比表面积,大量杂原子能够保留在材料中,两者的协同效应使比电容迅速提高,达到213 F g-1。样品具有良好的循环性能,在10000个循环之后,比电容仍保持有首次循环的99%,说明它是一种适用于超级电容器的电极材料。3.利用三聚氰胺-酚醛树脂基活化样,制备了应用于锂离子电池的负极材料。它的首次放电容量达到了917 mAh g-1,这是因为它具有较高的氮含量,大的比表面积,以及发达的微孔结构。在20个循环之后,活化样的比容量仍可达到251mAh g-1,并且其库仑效率超过了90%,说明活化过程提高了样品的循环性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超级电容器概述
• 1.2.1 超级电容器简介
• 1.2.2 超级电容器分类
• 1.2.3 超级电容器工作原理
• 1.2.4 超级电容器用炭电极材料
• 1.3 锂离子电池概述
• 1.3.1 锂离子电池简介
• 1.3.2 锂离子电池结构组成
• 1.3.3 锂离子电池工作原理
• 1.3.4 锂离子电池用炭负极材料
• 1.4 选题目的、意义及主要内容
• 第2章 实验方法及原理
• 2.1 主要原材料及仪器设备
• 2.1.1 主要化学试剂及原材料
• 2.1.2 主要实验仪器设备
• 2.2 材料表征
• 2.3 超级电容器的电极制备及组装
• 2.3.1 超级电容器电极制备
• 2.3.2 超级电容器组装
• 2.4 超级电容器电化学性能测试
• 2.4.1 循环伏安法
• 2.4.2 恒流充放电法
• 2.4.3 交流阻抗法
• 2.5 锂离子电池的电极制备及组装
• 2.5.1 锂离子电池电极制备
• 2.5.2 锂离子电池组装
• 2.6 锂离子电池电化学性能测试
• 2.6.1 循环伏安法
• 2.6.2 恒流充放电法
• 2.6.3 交流阻抗法
• 2.7 本章小结
• 第3章 生物质活性炭的制备及其超级电容器研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 前驱体的制备
• 3.2.3 活性炭的制备
• 3.2.4 交表设计
• 3.2.5 材料表征
• 3.2.6 电化学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 正交表分析
• 3.3.2 形貌分析
• 3.3.3 比表面积及孔径分析
• 3.3.4 电化学性能测试分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 三聚氰胺-酚醛树脂基活性炭的制备及其超级电容器研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂和仪器
• 4.2.2 三聚氰胺-酚醛树脂的合成
• 4.2.3 正交表设计
• 4.2.4 活性炭的制备
• 4.2.5 材料表征
• 4.2.6 电化学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 三聚氰胺-酚醛树脂合成工艺的正交表分析
• 4.3.2 碳化工艺的正交表分析
• 4.3.3 活化工艺的正交表分析
• 4.3.4 形貌分析
• 4.3.5 热稳定性分析
• 4.3.6 比表面积及孔径分析
• 4.3.7 元素分析
• 4.3.8 电化学性能测试分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 三聚氰胺-酚醛树脂基活性炭在锂离子电池负极材料中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂和仪器
• 5.2.2 活性炭的制备
• 5.2.3 材料表征
• 5.2.4 电化学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 X射线衍射分析
• 5.3.2 X射线光电子能谱分析
• 5.3.4 电化学性能测试分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果