高度石墨化多級(jí)孔結(jié)構(gòu)炭材料的制備及其電容性能研究.pdf

1、作為傳統(tǒng)多孔炭材料的典型代表，活性炭由于其具有超高的比表面積而受到人們的廣泛關(guān)注。然而，活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)通常由0.5-1.5nm的微孔組成，這樣的孔隙結(jié)構(gòu)非常不利于電解質(zhì)離子在孔隙中的傳輸，從而導(dǎo)致其在大電流密度下充放電時(shí)容量急劇衰減。將炭材料設(shè)計(jì)成多級(jí)孔結(jié)構(gòu)可以有效地克服活性炭的這一缺點(diǎn)，這是由于多級(jí)孔結(jié)構(gòu)有利于電解液的充分浸潤(rùn)和電解質(zhì)離子的傳輸，從而有效地改善其在大電流密度下的電容性能。此外，高度石墨化的炭材料具有高的導(dǎo)電性能，從而

2、有利于電子在其中的快速遷移，進(jìn)而有助于降低超級(jí)電容器的內(nèi)阻并改善其功率密度。因此，基于以上幾點(diǎn)，我們以多孔磺化聚二乙烯基苯或者內(nèi)嵌碳納米管的磺化聚苯乙烯為炭前驅(qū)體，采用催化石墨化法并結(jié)合KOH活化法分別制備了一系列的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)石墨化炭微球和內(nèi)嵌碳納米管的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)石墨化炭，并對(duì)它們進(jìn)行了一系列的表征和測(cè)試。
　　首先，通過(guò)微懸浮聚合法合成了多孔磺化聚二乙烯基苯微球，并以此微球?yàn)樘壳膀?qū)體，以鐵單質(zhì)為硬模板和石墨化催化劑，采用催化石墨

3、化法并結(jié)合KOH活化法合成了一系列具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的石墨化炭微球。氮?dú)馕?脫附測(cè)試分析表明，硬模板與炭前驅(qū)體的比例對(duì)多孔炭微球的孔隙度和孔徑有著重要的影響，并且經(jīng)過(guò)KOH活化處理后，活化多孔炭微球的比表面積和孔隙度得到了顯著地增加。拉曼光譜分析和X射線衍射測(cè)試分析表明，采用兩步活化法時(shí)多孔炭微球的石墨化結(jié)構(gòu)會(huì)遭到一定程度的破壞，而采用一步活化法時(shí)多孔炭微球的石墨化結(jié)構(gòu)不但沒(méi)有遭到破壞，其石墨化程度反而更好。電化學(xué)分析測(cè)試表明，硬模板與炭

4、前驅(qū)體的比例也對(duì)多孔炭微球的電化學(xué)性能產(chǎn)生了影響，其中當(dāng)SPDVB與FeCl3·6H2O的質(zhì)量比為1∶4時(shí)制備的樣品具有最好的倍率性能和電容行為以及最小的等效串聯(lián)電阻;得益于比表面積和孔隙度的增加，活化多孔炭微球的比電容值、倍率性能和電容行為等電化學(xué)性能得到了改善。
　　通過(guò)原位微乳液聚合法制備了內(nèi)嵌碳納米管的磺化聚苯乙烯，隨后以它為炭前驅(qū)體，以鐵單質(zhì)為石墨化催化劑，采用催化石墨化法并結(jié)合KOH活化法合成了一系列的內(nèi)嵌碳納米管的多

5、級(jí)孔結(jié)構(gòu)石墨化炭。通過(guò)拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管的加入極大地提高了多孔炭的石墨化程度，從而提高了它的導(dǎo)電性能。氮?dú)馕?脫附測(cè)試分析表明，制得的多孔炭材料同時(shí)具有豐富的微孔、介孔和大孔呈現(xiàn)出一個(gè)多級(jí)的孔結(jié)構(gòu)。電化學(xué)分析測(cè)試表明，內(nèi)嵌碳納米管的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)石墨化多孔炭表現(xiàn)出優(yōu)秀的電化學(xué)性能，具有高達(dá)304.1F g-1的比電容值(25 mV s-1)、極好的倍率性能（在150A/g擁有89％的容量保持率）、高的能量密度(5.48Wh/kg)