摘 要

近些年来，由于人们不节制地使用传统化石燃料，不但使其储量急剧下降，而且也导致了一系列环境生存问题，如全球气候变暖加剧，为了改善人类的生态环境，就必须对新能源开展研究，例如太阳能、风能等清洁能源，但是这些新能源容易被一些不可抗力限制，比如说天气就能对它们产生或大或小的影响。因此，随着科技的不断发展，研究人员将注意力放在了高效储能技术。电化学电容器，也叫超级电容器，是一种新型高效储能器件，就储能电荷的能力相比，它要比普通电容器高很多，比功率是电池的10倍以上，充放电速度快，循环充放电寿命长；不仅如此，它还环保清洁，因此在电动汽车、信息技术和新能源发电等行业具有广泛的应用前景。电化学电容器的影响因素有很多，此中电极材料是影响其性能的最主要因素，^[1]因此，只有对电极材料有了深入的探索了解，才能制造出有优异性能的超级电容器。能用作超级电容器的材料有很多，本文中也将有详细介绍，但是在这如此多的材料中，碳基材料是最常用也是最先使用的。本文主要介绍的是利用多面体低聚倍半硅氧烷和酚醛树脂作为碳源合成氮掺杂的微孔碳材料，并对其进行电化学性能的测试及分析，找出氮掺杂的单一尺度微孔碳材料电化学电容器电极中应用的发展前景。

关键词：电化学电容器 碳材料 氮掺杂 嵌氢能力

Abstract:

In recent years, the traditional fossil fuel reserves continue to decrease, the global warming increased, the ecological environment deteriorated, Mankind will concentrate on the solar, wind and other clean and renewable new energy, But because renewable energy is susceptible to natural conditions (such as weather, areas, etc.) Therefore, with the continuous development of science and technology, the researchers will focus on the efficient energy storage technology. Electrochemical capacitors (also known as super capacitors) is a new type of high efficiency energy storage devices, storage charge capacity than ordinary capacitors, Its more than 10 times the power of the battery. And his advantage is environmental protection, charge and discharge speed, long cycle life and so on. In the electric vehicle, information technology and new energy power generation and other industries have a wide range of applications. Electrochemical capacitors have many factors, but the electrode material is the most important factor affecting its performance. Therefore, want to get excellent performance of the super capacitor, it must be in the electrode material to explore the study, among the many electrode materials, carbon-based materials are the most commonly used and first used. This artical mainly introduces the use of carbon source synthesis of nitrogen doped porous carbon material, then, test and analysis the electrochemical performance, Find the prospect of application of nitrogen-doped single-scale microporous carbon materials for electrochemical capacitor electrodes.

Keywords: electrochemical capacitors carbon material nitrogen doping embedded hydrogen capacit

目录

第一章 绪论 1

引言 1

1.1电化学电容器的原理 1

1.1.1双电层电容器 1

1.1.2法拉第赝电容 2

1.1.3混合型超级电容器 3

1.2 电化学电容器的特点 3

1.3 电极材料的研究进展 3

1.3.1 多孔碳材料 4

1.3.2 金属氧化物电极 5

1.3.3 导电聚合物电极 5

1.3.4 复合电极材料 6

1.4 嵌氢型混合超级电容器 6

1.5 电解液的研究与发展 6

1.6 电极材料的性能测试 7

1.6.1 循环伏安法 7

1.6.2 电化学交流阻抗法 7

1.6.3 恒电流充放电 7

1.6.4 恒压充放电 7

1.7 电化学电容器的应用 7

1.8 电化学电容器国内外市场现状 8

第二章 氮掺杂单一尺度微孔碳材料的嵌氢过程及研究 8

2.1 研究基本内容及目的 8

2.2 实验试剂 8

2.2.1 OPS的合成 9

2.2.2 ONPS的合成 9

2.2.3 OAPS碳材料的制备 9

2.2.4 电极片的制备 10

2.2.5 电容器的组装 11

2.2.6 结构表征与电化学性能测试 11

2.3 结果与讨论 11

第三章 结论 12

参考文献 16

致谢 17

第一章绪论

引言

随着人类科技的发展，人们开始寻找、研发更高效环保的能源储存装置，电池、电化学电容器作为高效环保的能源储存和转化装置，在近些年被广泛的应用。超级电容器(supercapacitor)也叫做超级电化学双电层电容器(electrochemical capacitor)，是一种新的，用来储存能量的装置，它的工作依赖于在电极与溶液界面离子定向排列发生的对峙产生的电容和迅速的可逆的氧化反应、还原反应赝电容电荷来储存电能 ^[2]。超级电化学双电层电容作为一种新型的用来储存能量的装置，它既不同于传统意义上的电容，也不同于内部发生化学反应的电池。它与普通的电池有所不同，它的作用就是避免在电子设备与电源突然切断时（如瞬间的断电或者用电电压的突然降低）产生的错误动作，也正是这个作用，让它在备用电源领域得到应用。电化学电容器能够被重视，还是因为它在工作的时候充电和放电的速率非常快，循环的充电放电的次数多也就是它的寿命长，工作的时候受温度的影响较小等等。在二十世纪五十年代末，电化学电容器申请到了第一个专利，专利的申请者提出可以用比传统电容器体积更小的一种电容器作为用来储存能量的器件，该器件的优点在于有和蓄电池媲美的高能量密度，之后标准石油公司首次使此器件实现商业生产，而电化学电容器最早得到广泛的关注，是上个世纪九十年代初，在研究汽车使用混合动力即传统燃油和电能合用的汽车时，将这个用来储存能量的装置运用在了混合动力车的发动系统。经过了众多的科学家几十年的研究与发展，超级电容器已经在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费型电子产品、通信、新能源汽车等领域得到应用，并且都有着重要的市场价值。

1.1电化学电容器的原理

电化学超级电容虽然也是用来储存电能的元件，但是却与普通电池有很大区别。普通电池在储存能量的同时会有一系列化学能与电能的相互转变的过程，但是这个器件在对能量进行存储的过程中不会有化学的反应发生，并且储存能量的整个流程都是完全可逆的。电化学超级电容有很多种，以至于分类，也有很多不同的分法，若按照能量储存过程中的反应进行分类，可分为双电层超级电容器、法拉第假电容器和混合型超级电容器。

1.1.1双电层电容器

双电层超级电容器也是能量储备的电化学元件，它在工作时的机理是在微粒的内部，会有负离子形成的一个带负电的电层，然后由于电荷正负的吸引，就会在外部聚集正离子，形成带正电的电层。而关于界面双电层理论，则要追溯到1879年，它是由德国物理学家亥姆霍兹提出的。双电层理论其实就是用来研究液固的界面性质。要想有双电层的产生，就必然少不了静止带电体之间的静电力以及分子之间的作用力的影响。

如果将金属插入到电解液中，会受到上述的静电力的影响，就会在金属的外层形成不活泼的、一正一负的两层电荷。下图为双电层电容器充放电过程：^[3]

1.1.2法拉第赝电容

法拉第赝电容与双电层电容不同，它的电极中具有反应活性很强的物质，在电极外表层或体相中的平面或者准平面上会有欠电位沉积的现象产生，并且在电容电极上还会发生可以逆转的化学吸附脱附或着是氧化反应和还原反应。法拉第赝电容可以通过两种方式来储存能量，一种就是是上文所说的电解液中的离子会在电极上发生可逆的氧化反应和还原反应，从而做到电荷的储存，另一种是通过双电层上发生的存储来实现对电荷的存储。法拉第电容器之所以被这样命名，必然是电极上要发生法拉第过程，而这种过程共有三种类型：电极活性物质（金属氧化物）的氧化还原反应、可逆吸附（铂和金电极表面的氢吸附）、可逆的电化学掺杂去掺杂发生导电聚合物基电极上。法拉第赝电容与普通的将电能转化为化学能的装置的区别，还有它的产生过程，在这过程中法拉第赝电容中的电子会发生迁移，但是它在反应的动力学方面又具有很高的可逆性，且更接近于电容器的特性。^[4]现在，法拉第赝电容有2种储存能量的原理的观点得到广泛的认可，即相嵌入脱出储存能量和表面吸脱附储存能量。表面吸脱附储存能量的原理其实很简单，就是加了一个额外的电场的作用后，离子就会在电解质溶液中发生移动，而阳离子就会从电解质溶液中扩散到溶液与电极的界面上，随着时间的推移，阳离子会不断地移动到界面上，就会在电极表面上形成离子吸附，从而存储电荷；在去掉这个额外加的电场之后，为了维持电荷平衡，原先吸附在电极表面上的离子变成了脱附状态，重新回到电解液中使电解液电荷保持平衡，通过这种方法使存储的电荷就能释放出来。

1.1.3混合型超级电容器

混合型超级电容用自己的话来了理解，就是它由两部分组成，其中一个电极的工作原理是依靠库仑力、静电力来的形成的两个带电荷符号相反电层，另一电极是普通的依靠化学能与电能转变的能量储存装置，双电层电容极的储能原理就和双电层电容器的相同，而电池极则是通过电极发生的电化学氧化还原反应来存储和转化能量。混合型超级电容器作为一种新型用来储存能量器件，和普通的电容作比较的话，它在工作时的电压很高并且它在单位体积内包含的能量更多。经过众多的学者的努力和研究，混合超级电容器已经在慢慢商业化。

1.2 电化学电容器的特点

电化学电容器是一种不同于普通的在内部发生化学反应的储能装置和普通电容的新研究开发的效率高的储存能量的元件，一般的蓄电池都需要定时的维护和保养，但是超级电化学电容器可以长期使用不用做定期的保养，使用起来非常安全放心。就它的可使用时间而言，普通的内部发生化学反应的储能装置充放电次数很难超过一千次 ，而超级电化学电容的循环可使用的时间和次数很长，使用时可以做到高达五十万次的充电和放电。不仅充放电循环寿命长，在用于充电的时间上来看，超级电容器只需要很少的时间就能完成一次补充能量，普通的内部发生化学反应的储能装置则需要几个小时来充的电量，超级电容器在十秒到十分钟内就能够完成。最关键的一点，超级电容器所使用的材料都是安全无毒的，可以使环境得到保障，是一种清洁能源。 ^[5]

1.3 电极材料的研究进展

在超级电容器的研究中，电极材料一直是最受关注的，因为有很多的原因都是可以改变电容器性能的，但是电极材料是这很多原因中最主要的那一个。电化学超级电容器的所能储存的能量和能存储的电荷量等其他性能都与所用的电极材料有密切联系，因此有很多开发高比电容电极材料的研究。一般来说，电化学超级电容器的电极材料可以分为 多孔碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料

1.3.1 多孔碳材料

碳电极材料是超级电容器电极材料中研究最早也是最成熟的一种，被认为是工业化了的最有发展前途的电极材料，并在生活中已获得实际应用^[6]。碳的化学性质稳定，且具有良好的耐腐蚀性，导电性以及导热性，因此用碳材料作电极最为普遍，正是由于碳电极的这些性质，使它成为目前仅有的商业化的电化学电容器电极材料。