炭基電化學(xué)電容器電極材料的制備與電容性能研究.pdf

1、本論文以研制廉價(jià)、高比能量和高比功率的電化學(xué)電容器炭電極材料為目的，開展了以酚醛樹脂、石油焦和三聚氰胺樹脂為碳前驅(qū)體制備高性能炭電極材料的研究工作，對炭電極材料的制備工藝、結(jié)構(gòu)、電容性能和儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行了深入研究。 本論文首次提出以熱固性酚醛樹脂為原料，采用CO2物理活化法制備低成本炭電極材料，系統(tǒng)考察了活化溫度和活化時(shí)間對酚醛樹脂基活性炭結(jié)構(gòu)及電容性能的影響。最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下制備的酚醛樹脂基微孔炭具有超過2200m2/g的比表面積

2、、孔徑集中分布在1～2nm，其在30wt％KOH水溶液中具有高達(dá)211.6F/g的放電比電容、良好的功率性能和循環(huán)性能。 采用KOH化學(xué)活化制備了不同比表面積和孔徑分布的酚醛樹脂基多孔炭，考察了其在30wt％KOH溶液和1M Et4NBF4/PC電解液中的電容性能。研究結(jié)果表明：酚醛樹脂基多孔炭在水系電解液中不存在“離子篩分”現(xiàn)象，大于0.4nm的孔隙均能形成有效的雙電層；而其在有機(jī)電解液中出現(xiàn)明顯的“離子篩分”現(xiàn)象，小于0.7

3、nm的極微孔中不能形成有效雙電層;1～2nm的微孔是形成雙電層的最佳孔徑范圍，適量的中孔有利于提高電容器的功率性能。 采用KOH活化石油焦制備納米微晶炭，研究了原料的預(yù)炭化和活化溫度對其結(jié)構(gòu)和電容性能的影響，并討論了其實(shí)用化的可能性和新型儲(chǔ)能機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)?shù)奶炕幚砼c活化工藝的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)對納米微晶炭孔結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控；獲得的納米微晶炭保持低比表面積、大層間距和高電極密度，并具有優(yōu)于商品活性炭YP15的電容性能。恒電流

4、充放電和半原位XRD分析表明，“電化學(xué)活化”的實(shí)質(zhì)是電解質(zhì)離子嵌入有序或無序炭微晶層間的過程。首次采用高分辨投射顯微鏡(HRTEM)觀察到納米石墨微晶炭內(nèi)部有序炭微晶層間距的增大和表面類SEI膜的形成，結(jié)合掃描電鏡觀察和EDS能譜分析提出納米微晶炭的插層儲(chǔ)能機(jī)理。 首次直接炭化商業(yè)產(chǎn)三聚氰胺樹脂制備富氮炭材料，用作電化學(xué)電容器電極材料。研究發(fā)現(xiàn)：小比表面積(102.6m2/g)的富氮炭，具有高達(dá)205.5F/g的質(zhì)量比電容、較好