木质全组分碳气凝胶包装储能材料的研究
智能包装已成为包装领域近年来重点布局和研究方向，其关注度随包装产业的发展日益加强。其中，以储能设备作为构建包装智能体系的主要驱动装置。为了克服目前储能装置能量密度低、循环稳定性差和体积大等问题，本论文以木材液化物为原料，采用溶胶-凝胶、溶剂置换以及碳化-活化等技术制备出孔隙可调的珊瑚网络结构木质全组分碳气凝胶（LWCA），进一步在LWCA碳气凝胶骨架上分别通过原位聚合、原位生长法制备出木质碳气凝胶/聚吡咯(LWCA-PPy)和原位生长木质碳气凝胶/β-NiS（LWCA-NiS）复合储能材料，并对储能材料的微观形貌、石墨化结晶性、官能团特征、孔隙结构以及电化学性能进行了详细研究。结果表明： （1）通过控制催化剂（六次甲基四胺）的含量可以定向调节LWCA的微观孔隙结构。大量的催化剂可以促进碳气凝胶孔洞结构的形成，但过量的催化剂会造成体系发生过度交联，碳化活化后会产生“空洞”。LWCA不但具有典型的石墨化结构，而且BET分析表明LWCA呈现大量介孔，其中LWCA-3庞大的比表面积和孔隙体积有利于电解质离子的存储。电化学性能分析表明，随着催化剂含量的增加，碳气凝胶的比电容先增加后降低，这归因于碳气凝胶不同网络结构对电化学性能的影响。LWCA-3各方面的性能最优，比电容最高为154.15F/g，经过4500次恒电流充放电后保持率可达到92.62%，具有最广阔的应用前景。 （2）研究不同PPy负载量对LWCA-PPy的影响，以期探究出最佳负载浓度的LWCA-PPy电极材料。LWCA-3开放的网络结构有利于吡咯渗透，避免了PPy粒子在骨架表面堆积，而且降低了电解液在内部表面的扩散阻力。PPy成本低、赝电容高等特点可以提高LWCA的电容性能。LWCA-PPy随着PPy负载量的增加，孔隙逐渐发生堵塞现象，不利于电解质的渗入。BET结果表明，LWCA上PPy负载后，比表面积和孔体积下降。碳气凝胶中N元素含量远超过LWCA中N元素含量。最后，通过电化学性能分析，LWCA-PPy-65由于优异的孔隙结构、PPy官能团等，表现出421.45F/g的高比电容，超过纯的LWCA1.7倍以上，而且5000次充放电保持率仍有82.9%。 （3）研究β-NiS微米球的制备原料浓度与负载浓度对LWCA-NiS的影响。同理，LWCA-3体系骨架结构作为电子受体，加速电荷和离子迁移，延缓电荷复合，能够极大的减轻β-NiS微米球在充放电过程中发生的低导电性和自聚集现象，增加赝电容材料的循环稳定性。同时，具有较大表面积可以充分暴露其活性边缘位置，从而提高电容。β-NiS微米球表面呈现纳米级多孔结构，促进电解质接入，有利于离子和电荷迁移。当β-NiS微米球负载量过多时，同样会堵塞体系骨架中的孔隙结构，降低材料的电化学性能。LWCA-NiS-10具有合理的孔隙结构及负载密度，在1A/g的电流密度下体现出的最大比电容为887.08F/g，在经过2000次充放电后的比电容保持率高达63.06%。
包装储能材料;木质全组分碳气凝胶;木材液化物;原位聚合;电化学性能
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
马晓军;唐镇忠
2022
中文
TB484;TQ427.26
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）