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高比表面积生物基活性碳微球的制备及其在电化学电容器领域的应用

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2电化学电容器简介

1.3 影响双电层电容器性能的因素

1.4 电化学电容器碳材料的研究进展

1.5 本论文的选题依据、研究思路及具体工作

第二章 实验方法

2.1 材料的表征技术

2.2平面器件制备技术

2.3 电化学测量技术

第三章 花粉基多孔中空活性碳微球及其电化学性能

3.1 引言

3.2本章主要工作

3.3 实验部分

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 孢子基多孔中空活性碳微球及其电化学性能

4.1 引言

4.2本章主要工作

4.3 实验部分

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 葡萄糖基纳米活性碳微球叉指电极的研究

5.1 引言

5.2 本章主要工作

5.3 实验部分

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

硕士期间的论文、专利及奖励情况

致谢

参考文献

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摘要

随着电子产业的飞速发展,电子产品逐渐趋向于小尺寸、集成化、高密度、大批量。基于诸如微机电系统(MEMS)等微纳型器件的应用也愈发广泛,开发与之相匹配的兼具高能量、高功率、长寿命的电化学储能器件成为目前的迫切需求。电化学电容器(也称超级电容器)是一种新型储能装置,其数秒内的充放电、上万次循环寿命、良好的稳定性使其在电子、能源、环保等多个领域应用广泛。
  按储能机理不同,超级电容器主要包括双电层电容器和赝电容器。其中双电层电容器以多孔碳为电极材料,利用电极和电解质界面上电荷分离所产生的双电层来储能,整个储能过程不发生氧化还原反应,因而成本较低,使用寿命超长,成为目前商业超级电容器的首选。为了满足市场需求,选用经济环保的前驱体来制备高性能的多孔碳材料,通过研究多孔碳电极的微观结构、孔径大小和分布,表面化学和电极尺寸等因素对双电层电容器电化学性能的影响,从而进一步提高双电层电容器的能量密度,成为商业电化学电容器研究的焦点与难点。
  本论文从影响超级电容器性能的因素入手,围绕增大电极材料的比容量、降低材料的等效串联电阻、增大工作体系的电压窗口等几个方面开展工作。一方面,采用具有独特微纳结构的天然微生物原料,包括多种花粉、孢子粉为前驱体,通过微生物自模板法合成了具有三维(3D)多孔多层结构的活性碳微球,其并研究了其在水系电解液和有机电解液中的电化学性能。此类活性碳微球比表面积可达2600~3000 m2/g,作为超级电容器电极材料比电容可达308 F/g,能量密度达57 Wh/kg,并具有极好的功率特性和充放电循环稳定性。另一方面,本课题以天然葡萄糖为碳源,合成了直径约为300 nm的活性碳微球,其比表面积可达2534 m2/g。以该纳米活性碳微球为电极材料,利用丝网印刷技术,在聚酰亚胺(PI)基底上制备出了微型叉指电极。
  基于该叉指电极的全固态柔性超级电容器,比电容可高达到38.4 mF/cm2,且具有良好的机械性能和充放电循环稳定性,为可集成式超级电容器提供了具有实用价值和易于大规模生产的商业化技术路线。

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