酚醛树脂基氧化镁模板炭的制备及其在超级电容器中的应用-化学工艺专业论文.docx

摘 要 超级电容器，作为一种新型无维护储能元件，与电池相比，比功率更高、循 环寿命更长，与普通电容器相比，可以提供更高的比能量。由于其优异的性能， 超级电容器在电子、铁路、航空及军事等领域都有广泛的应用。超级电容器的性 能在一定程度上是由电极材料的结构和性质决定的，因而对电极材料的研究一直 是超级电容器研究的热点。理想的电容器电极材料除含有微孔之外，还应含有一 定中孔结构，以实现电解质离子快速、有效的传输。 基于以上思想，本论文采用柠檬酸镁热解产生的 MgO 晶体为模板，分别以 热塑性(PF(N))和热固性酚醛树脂(PF(R))为炭前驱体，制备中孔含量丰富的多孔 炭材料，分别标记为 MCPF(N)和 MCPF(R)，并将其作为电极材料在水系电解液 中组装成超级电容器。得出结论如下： MCPF(N)系列炭材料中，MCPF(N)82 的比表面积最大，为 1920m2·g-1 ， MCPF(N)46 的中孔率最高，达 88.60%；MCPF(R)系列材料的比表面积和中孔率 均小于 MCPF(N)系列，MCPF(R)82 的比表面积最大，为 1722m2·g-1，MCPF(R)73 的中孔率最高，达 82.33%。结合 N2 吸脱附等温线及 TEM 照片推断出 MCPF(N) 系列多孔炭的孔结构为墨水瓶孔，而 MCPF(R)孔结构为平行板形狭缝孔。 将所得多孔炭材料用做超级电容器的电极材料，采用 30wt%KOH 电解液， 进行循环伏安和恒流充放电测试，发现两个体系炭材料在不同电流密度下的比电 容都随材料比表面积的增大而增大。在 50mA·g-1 电流密度下，MCPF(N)82 比电 容为 221F·g-1，MCPF(R)82 为 186.8F·g-1。两个炭材料体系的倍率特性均与相应 的材料中孔率 Smeso/Stotal 的变化趋势相同，随着 MgO 与 PF 质量比的增大，而先 增大后减小。MCPF(N)46 和 MCPF(R)73 的电容保持率 C1000/C50(电流密度分别为 1000mA·g-1 和 50mA·g-1 时的比电容之比)分别为 98.3%和 89.4%。 关键词： 超级电容器，电化学性能，模板法，中孔炭，孔结构 ABSTRACT Supercapacitors, which fill the gap between secondary batteries and the typical dielectric capacitors, have been recognized as new electrochemical energy storage devices．They can deliver high energy in much shorter time, cycle more times than rechargeable batteries and store more energy than traditional capacitors. For the excellent performance, supercapacitors are widely used in electronic industry, railway system, spaceflight industry, military field and so on. The structures and properties of electrode material are decisive for the performance of supercapacitors. Therefore, the study of electrode materials is the hot pot for supercapacitors. For ideal supercapacitors, it should have mesopores for the rapid and effective transmission of electrolyte ions, besides the existence of micropores. Based on the above depiction, porous carbons rich in mesopores are prepared by chosing MgO crystals, formed during the decomposition of magnesium citrate, as template, using thermoplastic (PF(N)) and thermosetting phenolic resin (PF(R)) as carbon precurs