互穿聚合物网络炭化制备孔结构可控碳材料及其双电层电容储能机理

This project will focus on the electric double layer capacitive performance of porous carbon materials prepared by carbonization of "Interpenetrating Polymer Networks". The interpenetrating polymer networks will be synthesized in different polymerization systems, and then transformed into the porous carbon materials through high-temperature carbonization process. The pore size distributions of the carbon materials could be controlled by adjusting the relative content of "reserved" polymer and "sacrifice" polymer in a large-scale range, from the micropore, mesopore to macropore region. The effect of the pore structure on electric double layer capacitive performance could be systematically studied. For instance, we can establish the relationship between the "effective" specific surface area of carbon materials and their specific capacitance. In this process, the dynamic-variation characteristics of the pore size threshold under different electrode systems and charging-discharging rates should be analyzed in order to obtain a perfect correlation between these two parameters. This study will have great significance on the electric double-layer energy storage mechanism theory of carbon materials. The carbon materials obtained from interpenetrating polymer networks possess interconnected and open pore structure, which are more suitable for the study of the mechanism of electric double layer capacitances. Besides, the carbon material exhibit controlled and wide range pore size distribution, which will be the ideal candidate to study the relationship between pore structure and its electric double layer capacitive performance.

本项目针对“互穿聚合物网络”炭化制备的多孔碳材料的双电层电容性能开展研究工作。选择不同聚合体系合成互穿聚合物网络，然后以其为前驱体，通过高温炭化制备多孔碳材料。通过控制“保留”聚合物和“离去”聚合物的相对含量，控制碳材料孔径分布从微孔、介孔到大孔尺度范围变化，系统研究碳材料的孔结构对双电层电容性能的影响，建立碳材料的“有效”比表面积与其双电层比电容之间的关系和作用机理。在这一过程中，注意在不同电极体系和充放电速率下孔径阈值动态变化的特点，以期得到二者之间的完美的相关关系。该研究对碳材料双电层储能机理理论的进一步完善具有重要意义。互穿聚合物网络炭化制备的碳材料不仅具有互通开放的孔结构，更适合双电层电容机理的研究，而且其孔径能在一个很大的尺度范围内进行调节，从而为研究碳材料的孔结构与双电层电容性能的关系提供了理想的实验载体。

双电层超级电容器的储能机理是在碳材料的表面形成电荷吸附层，其充放电容量和动力学行为从性能上讲只依赖于液相传质过程，从结构上讲只依赖碳电极的表面结构。其中，碳材料的孔结构成为影响其双电层电容行为的重要因素之一，但孔结构参数与双电层电容性能之间的定量关系尚不明确。精确调控碳材料的孔结构，深入研究碳材料的孔结构与双电层电容性能之间的关系是非常重要的。目前为止，对于孔结构与电化学性能之间关系的讨论依旧较少，为了明确孔结构参数对于超级电容器的电化学性能影响。本项目以“互穿聚合物”为研究对象，互穿聚合物网络是由两种聚合物通过分子水平的物理交织和渗透，不存在化学键,可以精确的调谐孔结构和弥补通常聚合物共混过程中存在的宏观相分离等缺陷。我们利用两种聚合物网络间足够大的热稳定性差异，在炭化过程中，高交联度的聚合物在高温下发生脱氢脱氧形成碳基质，另外一种低交联密度聚合物网络分解成气态产物，从而在碳基质上留下孔隙。通过改变高交联度聚合物与低交联度聚合物的种类、相对含量、制备条件，调控聚合物的本征结构，达到炭化后控制孔结构的目的，探讨了不同孔结构参数对双电层性能的影响。在本项目中设计制备了一系列的孔径单一、孔结构可调、性能优异的双电层电容碳电极材料，对孔结构与超级电容器之间的关系进行了讨论，这些由聚合物直接碳化法制备的电极材料具有良好的电化学性能加上可灵活调控的孔结构，可为实现高性能电化学储能提供新的机遇。