聚离子液体衍生碳膜制备及其在超级电容器中的应用研究
随着储能技术的快速发展，便携式和可穿戴设备的运行离不开高能量密度储能器件。其中一种能量供应器件是超级电容器，它具有出色的功率密度、优良的使用寿命、更快的充电速率以及环境友好的电化学储能方式。和其它储能器件一样，电极材料决定超级电容器的性能。由于多孔碳材料比传统电极材料具有更高的比表面积、更多的活性位点，因此电容要比传统的介质电容器高出几个数量级，能存储更多的电能。 掺杂是多孔碳材料最常用的调制策略之一，杂原子与基体碳的结合会不可避免地导致原有碳骨架产生结构畸变，进而造成整体价带能级发生改变，从而改变其物化性质。此外，由杂原子掺杂诱发的结构畸变缺陷通常被认为是提供各种反应的活性位点。这些原有多孔碳材料物理化学性质的改变，以及活性位点的生成赋予了杂原子掺杂多孔碳材料在电化学方面独特的性能。 然而，目前大多数报道的杂原子掺杂碳材料都是处于粉末状态，在后续制备成电极的过程中，会不可避免地添加导电剂、粘合剂等添加剂。这些添加剂的加入，（1）降低了单位面积活性材料的负载密度；（2）堵塞多孔碳材料的孔结构，造成电解质传输速率的下降、影响体系内电子的相互转移；（3）在器件的运行过程中产生副反应等，这些都大大削弱了超级电容器的能量密度。在本课题研究中，我们采用高分子构造工程，选择了聚离子液体（PILs）和均苯三甲酸（H3BTC）的交联高分子多孔膜作为前驱体，碳化得到一体化且具有分级多孔结构的碳电极（N-GACM-900）。N-GACM-900在三电极体系，5mAcm-2的电流密度下，面积比电容能高达26Fcm-2。经过10000圈循环充放电后，仍然保留96%的原始电容值，体现出非常优异的电化学性能。由于单纯的PILs膜衍生得到的N-GACM-900电化学窗口较窄，为了能够提升其电化学窗口，进而提高超级电容器的能量密度，本文还在上述体系中引入了元素P和Co。P和Co的引入可以在后续碳膜（8NP/Co-GACM）中生成CoP和Co3O4，拓宽了一体化碳电极的电化学窗口。随后我们以N-GACM-900作为负极，8NP/Co-GACM作为正极，在两电极体系，1MH2SO4下，电化学窗口能达到1.2V。我们进一步选择凝胶电解质，将两种电极进行组装得到全固态超级电容器，在3.01mWcm-2的功率密度下，能量密度高达0.74mWhcm-2，体现出非常优异的电化学储能能力。 此外本文还主要介绍了超级电容器的组成、机理、分类以及PILs的结构类型、物化性质、应用场景。并简单叙述了PILs衍生的杂原子掺杂多孔碳膜的制备方法和在超级电容器中的应用，概述了PILs衍生碳材料的广阔发展潜力和应用前景。
超级电容器;多孔碳材料;电极材料
东华大学
硕士
材料学
张卫懿
2022
中文
TM53
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）