高性能活性炭電極材料的制備及應(yīng)用.pdf

1、電化學(xué)電容器(Electrichemical capacitor)，也稱為超級電容器(Supercapcitor)，是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲能器件，在國防和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。電極是決定超級電容器性能的主要因素，因而高性能電極材料的研究一直是該領(lǐng)域的熱點。炭材料來源廣泛，價格低廉，性能穩(wěn)定，易產(chǎn)業(yè)化，是一種相對理想的電極材料，因而同時受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。 本課題的目的是制備高性能的活性炭電極材料，

2、并應(yīng)用于超級電容器，研究炭材料性質(zhì)與超級電容器性能的相關(guān)性。用自動氮吸附法研究了炭材料的比表面積、孔徑和孔徑分布，用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學(xué)方法研究了炭電極電容器的比容量、循環(huán)充放電、內(nèi)電阻、漏電流等性能。本論文主要做了以下幾方面的工作： 以廢棄核桃殼為原材料，采用ZnCl2-CO2同步物理．化學(xué)活化法制備活性炭(Ac)。根據(jù)炭樣品在77K時的氯吸附-脫附等溫線，用BET方程、t-圖和BJH法分析和計算比表面積和

3、孔徑、孔徑分布等。并通過設(shè)計正交實驗和單因素實驗深入討論了活性炭制備過程中，化學(xué)活化劑比例，活化溫度，活化時間，氣體流量等因素對材料孔結(jié)構(gòu)的影響，并對活化條件做了優(yōu)化，以制備出高性能的超級電容器用活性炭電極材料。結(jié)果顯示，活化劑比例與活化溫度是影響活性炭材料比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要因素，通過優(yōu)化活化條件，制備了比表面積和孔容分別高達2266 m2/g，1.4169 cm3/g的活性炭，以及中等比表面積(1206m2/g)，平均孔徑高達

4、2.73 nm的活性炭電極材料。 用自制和商品活性炭制作電，以KOH溶液為電解液，并組裝構(gòu)成雙電極三明治型雙電層電容器，通過恒流充放電、循環(huán)伏安等電化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)材料的孔結(jié)構(gòu)，特別是孔徑分布范圍對電容器的性能有決定性作用，對于無機水系電解質(zhì)KOH溶液，炭材料分布于1.5-4 nm的孔表面更有利于形成雙電層; 炭表面官能團能改善孔道的潤濕性以及提供部分贗電容，從而提高電容器的電容量；平均孔徑為2nm左右的活性炭材料，其質(zhì)量

5、比電容與微孔表面積或BET表面積有很好的線性關(guān)系。與商品炭對比，自制活性性炭表面積利用率高，電化學(xué)性能優(yōu)異。5 mA恒流充放電時，比電容高達292 F/g，80 mA時仍然保持在近210 F/g。電容器電阻和漏電流小，分別只有0.57 Q和0.19 mA:電容器能量密度、功率密度和峰值功率密度可分別高達7.3 wh/kg，770 w/k8和5.1 W/g；經(jīng)1000次循環(huán)恒流充放電后，容量保持率為90％以上。 以活性炭為主體，利

6、用溶膠．凝膠法制備NiOx干凝膠/活性炭復(fù)合電極材料，孔結(jié)構(gòu)分析、X射線衍射(XRD)、熱重分析(TGA)等方法研究復(fù)合炭材料的性質(zhì)，并測試相應(yīng)的電化學(xué)性能。結(jié)果顯示復(fù)合電極材料較原樣炭的電化學(xué)性能有較大的改善。不同活化溫度復(fù)合電極材料電化學(xué)性能測試顯示，活化溫度為320℃時,Ni(OH)2凝膠分解生成混合價態(tài)的NiOx干凝膠，復(fù)合電極材料比電容值最高達235.2 F/g，比原炭樣提高了87.4％。體積比電容由原炭樣的77.6F/cm3

7、提高到140.2 F/cm3，提高了80.1％。結(jié)果顯示，活化后的復(fù)合炭電極材料電化學(xué)性能穩(wěn)定，循環(huán)伏安，交流阻抗和漏電流等性能都要優(yōu)于原活性炭。 為了提高功率密度和能量密度，用有機電解液代替KOH溶液，試制、研究了有機電解液超級電容器。自制的活性炭電極材料在有機電解液Et4NBF4/PC(四氟硼酸四乙基銨/碳酸丙烯酯)中表現(xiàn)出良好的充放電性能以及其它電化學(xué)性能。比電容可達182 F/g；能量密高達39.5 Wh/kg；最高功率