炭化木自支撑电极的制备及其储能应用研究
摘 要
为了应对日益严重的能源问题，高效的电化学储能器件备受关注。超级电容器，作为一种新型储能器件具有比传统电容器更高的能量密度、比电池更高的功率密度。电极是决定超级电容器电化学性能的主要部分，传统电极制备复杂、活性物质占比低且电容和能量密度有待进一步提高。而自支撑电极，是一种制备流程简单、活性物质占比高的、可直接用于电容器组装的电极。为了进一步改善超级电容器的储能性能，本文在自支撑电极的制作上做了各种改进研究。由于传统的碳化木构建的孔结构贡献的双电层电容有限，以其制备的自支撑电极性能较差。因此，本文以不同方式将赝电容活性物质负载在炭化木上，从而研究其对超级电容器储能性能的影响，改进自支撑电极的制备方案，从而制备出兼具高比电容以及优良倍率超级电容器。
关键词：赝电容活性物质；炭化木；自支撑电极
Preparation of free-standing carbonized wood electrode and its application in energy storage
ABSTRACT: In order to deal with the increasingly serious energy problem, people hope to develop more efficient energy storage devices. Supercapacitor, as an energy storage device with higher energy than traditional capacitor and higher power density than battery, has attracted much attention. Self supporting electrode is a kind of supercapacitor electrode with simpler preparation process and higher proportion of active substances. In order to further improve the energy storage performance of supercapacitors, various improvements have been made in the fabrication of self-supporting electrodes. Due to the limited electric double-layer capacitance contributed by the pore structure of the traditional carbonized wood, the self-supporting electrode prepared by the carbonized wood has poor performance. Therefore, in this paper, the pseudocapacitor active material was loaded on the carbonized wood in different ways, so as to study its influence on the energy storage performance of supercapacitors, and improve the preparation scheme of self-supporting electrode, so as to prepare supercapacitors with high specific capacitance and excellent rate.
Keywords: pseudo-capacitance active material; carbonized wood; Self-supporting electrode.
- 引言
随着经济社会的迅速发展，煤、石油、天然气等不可再生资源的过度使对用生态造成了很大的破坏，世界各地对能源的需求日益增加[1]。这些问题严重影响了地球的生态平衡以及生产发展，因此，新能源的开发具有极其重要的意义[2]。超级电容器是一种新型的储能器件，与传统电池相比具有更高的功率密度和更长的循环使用寿命，与传统电容器相比具有更高的电容和能量密度[3]，另外其具有更高的安全性以及更低的成本。超级电容器能量的储存方式一般分为两种：一、通过电荷在电极与电解液界面间的静电相互作用实现充放电；二、通过电极表面的活性物质发生可逆的氧化还原反应以及离子的掺杂/去掺杂过程实现充放电的过程。电极材料是决定超级电容器储能方式以及性能的重要组成部分[4]。
常用的超级电容器电极材料主要有金属氧化物、导电聚合物以及各种碳基材料。贵金属氧化物(氧化钌、氧化铱)虽具有的高比电容和优良的电化学性能,但其昂贵的价格在很大程度上限制了它的应用。因此研究开发高性价比的超级电容器氧化物电极材料是当前研究的热点和发展方向[5]。而导电聚合物电极电容器是通过导电聚合物在充放电过程中的氧化还原反应，在聚合物膜上快速产生n型或p型掺杂从而使其储存很高密度的电荷，产生很大的法拉第电容[6]。研究发现聚吡咯（Polypyrroles, PPY）、聚噻吩(Polythiophenes, PTH)、聚苯胺（Polyaniline, PANI）、聚对苯（Polyparaphenylene, PPP）、聚并苯（Polyacenes, PAS）等可用作超级电容器电极材料。具有可快速高效放电、不需要充放电控制电路、使用寿命长、温度范围宽、不污染环境等特点，但真正商业应用的电极材料品种还不多，价格也较高[7]。与金属氧化物和导电聚合物相比，碳基材料具有比表面积大、导热和导电性能优异、抗化学腐蚀性能好、且价廉易得、易于实现工业化生产等优点，是目前工业化最成功的的超级电容器用电极材料。但是由于比表面积贡献的双电层电容有限，因此电容和能量密度有待进一步提高[8]。由于金属氧化物或氢氧化物是具有良好赝电容特性和高理论比电容的赝电容材料，木材碳材料是具有高倍率特性的双电层电容材料，因此许多研究人员将木基碳材料与金属氧化物或氢氧化物复合制备具有高倍率特性、高电容和高能量密度且循环性能良好的复合电极[9]。
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