摘 要

以廉价易得的树脂为基体材料经碳化制备多孔碳材料已经成为超级电容器研究的潮流。本课题在以多聚甲醛和苯酚制备合成的酚醛树脂为基础，在树脂发泡过程中分别加入碳纤维、玻璃纤维和石棉纤维，以改进酚醛泡沫硬脆、易粉化、结构不稳定、易掉渣等缺点，获得含有不同比例纤维的酚醛泡沫，并利用高温将含纤维的酚醛泡沫碳化，从而获得多孔、高比表面积、高产碳率、高电导率的碳材料。

结合BET等表征与循环伏安法（CV）等相关的电化学测量可以得出结论：石棉纤维含量为1.5%时，碳化温度为800℃时有最大比电容160.30F/g；玻璃纤维与碳纤维在含量为2%，碳化温度分别为800℃与1000℃时，分别有最大的比电容142.19F/g、190.77F/g；对比发现碳纤维对酚醛泡沫的电化学性能提升最多。

本文特色是以酚醛树脂为碳源，制备纤维/酚醛泡沫复合材料。通过发泡、碳化工艺制备碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维掺杂的不同比例泡沫材料，并通过改变碳化温度，探究不同比例的纤维/酚醛泡沫碳这种特殊结构多孔碳制备出的双电层电容器电化学性能。

关键词：超级电容器；酚醛树脂；碳纤维；玻璃纤维；石棉纤维；多孔碳材料

Abstract

Preparation of porous carbon material by carbonizing the cheap and easily prepared resin has become the trend of the supercapacitor research. In this paper, the synthetic phenolic resin was prepared by using paraformaldehyde and phenol. Then, carbon fiber, glass fiber and asbestos fiber were added to the foaming process of the resin to improve the phenolic foam, such as hard and brittle, easy to be pulverized, unstable structure and slack. A phenolic foam containing different proportions of fibers was obtained, and the fiber-containing phenolic foam was carbonized at a high temperature to obtain a carbon material with a porous structure, high specific surface area and high conductivity.

The electrochemical measurements could come to the following conclusions. When the content of asbestos fiber is 1.5% and the carbonization temperature is 800 ℃, the maximum specific capacitance is 160.30F / g.. The glass fiber and carbon fiber have the largest specific capacitance, 142.19F/g and 190.77F/g, when the content is 2% and the carbonization temperature is 800 ℃ and 1000 ℃ respectively. The results showed that the electrochemical properties of carbon materials from the phenolic foams containing the glass fiber were the best.

This paper is characterized by phenolic resin as carbon source, the preparation of fiber / phenolic foam composite materials.Through the foam, carbonization process to prepare foam material with carbon fiber, glass fiber, asbestos fiber doped with different proportions , and by changing the carbonization temperature, explore the different proportions of fiber / phenolic foam carbon such special structure porous carbon prepared by electric double layer capacitor electrochemical performance.

Key words: supercapacitor; phenolic resin; carbon fiber; glass fiber; asbestos fiber; porous carbon materials.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1研究背景 2

1.2 超级电容器 2

1.2.1 简介 2

1.2.2 超级电容器的优点 3

1.2.3 超级电容器的研究现状 3

1.3 酚醛树脂 4

1.3.1 简介 4

1.3.2 酚醛树脂的研究状况 5

1.4课题研究的目的意义及主要内容 5

1.4.1 课题研究的目的意义 5

1.4.2 课题研究的主要内容 6

第二章 实验部分 7

2.1 实验药品与仪器 7

2.2 纤维/酚醛泡沫的的合成 7

2.2.1 纤维预处理 7

2.2.2 酚醛树脂的合成 8

2.2.3 FPF的合成 8

2.2.4多孔碳材料的制备 8

2.2.5电化学测试 8

2.2.5.1 循环伏安的测定 8

2.2.5.2 恒电流充放电的测试 9

2.2.5.3 电化学交流阻抗的测定 9

2.2.6 材料的表征 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 最优比例最佳温度BET测量 10

3.2 不同纤维/酚醛泡沫的电化学测量 11

3.2.1 碳纤维 11

3.2.2 玻璃纤维 14

3.2.3 石棉纤维 16

第4章 总结与展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

参考文献 21

第一章 绪论

1.1研究背景

在科学发展速度飞快的今天，世界能源危机和绿色环保受到了人们越来越多的重视，为了解决这个问题，一方面积极地寻求清洁、高效、可持续发展的新能源；另一方面，研发可以为电子设备提供高容量的、便携备用电源的能源储能与传化装置^[1-4]。因而，超级电容器因具有循环寿命长、可逆性好、高能量密度和功率密度、可快速充放电和对环境无污染等优点，作为一种新型储能元件，自诞生以来，受到广泛关注^[5]。它在一些情况下可替代电池，并在大功率、大电流器件等邻域具有十分广泛的前景^[6]。

根据超级电容器表面反应的类型，可分为双电层电容和法拉第赝电容特性。双电层电容电极材料主要为碳基材料，以电极/电解液界面例子形成均匀双电层形式储存能量；法拉第赝电容电极材料为金属氧化物和导电聚合物，以活性物质表面及体相中二维或准二维空间上发生高度可逆的氧化还原的形式储存能量^[7]。其中碳基电极材料碳材料因其化学性质稳定、耐腐蚀性良好、导电导热系数高等优点，近年来备受关注，它们是最为广泛使用的电极材料。

1.2 超级电容器

1.2.1 简介

超级电容器是一种处于传统电池与锂离子电池之间的新型环保型储能元件^[8,9]，一般由电解液、电极材料、隔膜和集流体等组成^[10]，其中电极材料是影响化学性能的关键因素。根据其电极材料的类别，一般可分为三类：（1）贵金属氧化物超级电容器^[11]；（2）导电聚合物超级电容器^[12]；（3）碳电极超级电容器^[13-14]。

超级电容器采用双电层原理。当施加外电压时，溶液中的正负离子在外加电场作用下会向电极移动，以类似普通电容器的方式排列在工作电极的表面附近，在电解液与电极间的界面上产生用来均衡电解液内电场的相反电荷，这种正负电荷在两个不同相之间的接触面上，排列在相反的位置上排列正负电荷之间极短间隙，因此其具有十分大的电容量。当超级电容器在正常工作状态时，电解液界面上电荷不会脱离（电解液氧化还原电极电位＞两极板间电势）；超级电容器在非正常状态，电解液分解（电解液氧化还原电极电位＜电容器两端电压）。超级电容器在放电过程中 ，由于外电路的存在，正、负极板上的电荷被泄放，因此电解液的界面上的电荷也将随之减少。超级电容器之所以性能稳定，是因为其充放电过程为物理过程，无化学变化，这点与普通蓄电池有所不同^[15]。

1.2.2 超级电容器的优点

1）具有简单的电路结构。不需要像二次电池设置特殊充电电路，不受过充过放的影响。