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1、大连理工大学本科毕业设计（论文）新型超级电容器碳化钴/碳复合材料Novel electrode material of supercapacitor cobalt carbide/C composites学 院（系）： 化工学院 专 业： 电化学工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology摘 要超级电容器是性能介于电池与传统电容器之间的一种新型储能装置,具有比功率高、循环性能好、可快速充放电等优点,在电动汽车、UPS、航空航天、军事等领域有广阔的应用前景。根据储能原理，电化学超
2、级电容器可以分为双电层电容器和法拉第赝电容器，其电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。在电化学超级电容器的研究中，其电极材料的研究更加引人注目，是因为电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。目前，对超级电容器的研究主要集中在对高性能电极材料的制备上。 本论文综述了电化学超级电容器及其电极材料的最新研究进展，并制备了复合电极材料,此外本文首先讨论了制备碳化钴/碳复合材料的生碳前躯体,羧甲基纤维素比羧甲基纤维素钠更适合的前躯体,而后通过改变制备过程中无水碳酸钾的质量，来改变复合材料的比表面积，进而来改变超级电容器的比容量。以制备的碳化钴/碳复合材料为原料组装超级电容器，在1mol/L的K
3、OH电解液、汞/氧化汞参比电极、以及铂片辅助电极的三电极体系中，采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等技术测试其电化学性能。关键词：超级电容器 ；碳；碳化钴；复合材料 wNovel electrode material of supercapacitor cobalt carbide/C compositesAbstract Super-capacitors are new energy storage devices with intermediate performance between batteries and dielectric capacitors, wh
4、ich have high power density, long cyclic life and short charge/discharge capability, etc. They have multiple applications including automobiles, UPS, aeronautics and astronautics, military, etc. According to the principle of energy- storage, there are two types of capacitors: electric double- layer
5、capacitor and faraday pseudocapacitor. Generally, the electrode materials of the super-capacitor mainly include carbon materials，metal oxides and conductive polymers. It is considered that the electrode-materials are the important part of the electrochemical supercapacitor. Because of electrode mate
6、rials play a crucial role in supercapacitors. Nowadays，studies on super capacitors are mainly focused on the preparation of high performance electrode material.In this thesis, we have reviewed the newest development in research of electrode mate- rials of electrochemical capacitor devices，and prepar
7、ed composite electrode materials. In addition, we also studied the effect of carbon precursors used in the preparation of cobalt carbide/carbon composites. Carboxymethyl cellulose is much more suitable than carboxymethyl cellulose ？. A certain amount of K2CO3 was used to adjust the specific area of
8、the carbon composites with the goal of obtaining high capacitance. The cobalt carbide /carbon composites was studied using a three electrodes system, in which 1mol/L KOH was used as electrolyte, HgO/Hg electrode as the reference electrode, a platinum plate as auxiliary electrode. Measurement of cons
9、tant current charge-discharge, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were performed to test the electrochemical properties of the cobalt carbide/carbon composites.Key Words：Supercapacitor; Carbon; Cobalt carbide; Compositesw目 录摘 要IIAbstractIII引 言11 综述21.1 概述21.2 超级
10、电容器国内外研究状况31.3 超级点容器的性能指标41.4超级电容器储能原理与分类51.4.1双电层电容器61.4.2法拉第赝电容器71.5 超级电容器的特点和应用81.5.1 超级电容器的特点81.5.2 超级电容器的应用91.6 超级电容器电极材料研究进展101.6.1 碳电极材料101.6.2 金属氧化物材料131.6.3 导电聚合物材料141.7 碳材料性质141.7.1 比表面积151.7.2 孔径分布151.7.3 表面化学性质161.7.4 导电性161.7.5 润湿性162 实验部分172.1 超级电容器的电极材料的制备172.1.1 实验药品以及仪器172.1.2 碳化钴/碳
11、材料的制备过程182.2 超级电容器电极片的制备182.2.1 实验药品及实验仪器182.2.2 制片过程193 电化学性能测试方法以及电容的计算193.1 测试方法203.1.1 循环伏安法测试203.1.2 恒电流充电和放电测试203.1.3 交流阻抗测试203.2 电容的计算213.2.1 循环伏安曲线电容量的计算方法213.2.2 恒流充放电曲线比容量的计算224 实验结果及讨论234.1 电化学测试仪器及测试体系234.1.1 测试仪器234.1.2 测试体系234.2 碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性234.2.1 不同的碳的前躯体对碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性曲线的影
12、响244.2.2 不同扫描速度对碳化钴/碳电极的循环伏安特性的影响244.2.3 不同质量的碳酸钾制备的碳化钴/碳复合材料电极的循环伏安特性曲264.2.4 酸洗后碳化钴/碳复合材料的循环伏安特性曲线274.3 碳化钴/碳复合材料电极的恒流充放电曲线274.3.1 碳化钴/碳复合材料电极的恒电流充放电曲线274.3.2 不同充放电流对碳化钴/碳超级电容器比容量的影响284.3.3 无水碳酸钾量对碳化钴/碳复合材料的恒电流充放电性能的影响294.4碳化钴/碳复合材料超级电容器的交流阻抗图谱30结论与前景展望325.1 结论325.2 前景展望32参 考 文 献33主要符号表及说明35致 谢36引
13、 言伴随人口的急剧增长和社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖洁净和可再生的新能源。有的学者则更进一步认为21世纪将是以电池为基础的社会。近年来在许多储能装置应用方面对功率密度的要求越来越高，己超过了当前水平电池的标准设计能力。一般除要求成本低、寿命长外，更希望有更高的单位重量或单位体积的能量密度(Wh/kg)或更大的功率密度(W/kg)。传统的二次电池，如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等由于比功率密度较低，一般不超过500Wkg-1，很难满足高功率密度的储能要求，而传统的电解电容器由于极低的能量密度也不能满足要求，超级电容器(SC)正是在这样的背景下产生的。
14、“超级电容器”一词来自20世纪60年代末日本NEC公司生产的电容器产品“Super- capacitor”。它泛指具有很高功率和高能量密度的电容器。所谓“超级电容器本质上是根据电化学原理设计、制造出来的，因此它又被称为电化学电容器(Electrochemical Capacitors，EC)。超级电容器在功率特性方面具有独特的优势，尽管它们的能量密度比充电电池低，但其功率密度大，可作为功率脉冲能源，能大电流瞬时充放电，在电动汽车中可作为车辆的启动、加速、爬坡时提高功率和刹车时回收能量的重要器件;和电池组合使用时可防止电池的过量消耗和劣化。高能量密度的电池和高功率密度的电容器具有不同的功能，也有
15、着不同的应用领域。日本在20世纪70年代末期首先开发了具有数法拉(F)容量并可快速充放电的双电层电容器(EDLC Electric Double Layer Capaci- tor)，作为小型后备电源使用，近年来随着超级电容器制备技术的不断进步和相关应用领域的发展，其潜在的应用前景已引起人们的高度重视，研究和开发工作也日益活跃。1 综述1.1 概述超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比,它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命;而与蓄电池相比,它又具有较高的比功率,且对环境无污染。因此可以说,超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。几种能
