瀝青基超級電容器電極材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人們生活水平的不斷改善導(dǎo)致了對能源的需求日益增加。石油、天然氣等化石資源日益緊缺，隨之產(chǎn)生的“三廢”等各種環(huán)境污染問題也不斷加劇，引發(fā)了全球性的危機。因此，如何能夠高效利用綠色清潔能源已成為各方學(xué)者共同關(guān)注的問題，也是世界各國共同探索的重要課題。目前，已經(jīng)進行了燃料電池、混合動力電池、化學(xué)電池等應(yīng)用的研究與開發(fā)，且取得了一定的成效。但是它們存在使用壽命短、化學(xué)電池污染環(huán)境、溫度特性差、價格昂貴等缺點，一直未能找到很好的解

2、決辦法。而超級電容器，作為一種重要的新型儲能元件，具有較高的功率密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，擁有廣闊的發(fā)展前景，已經(jīng)引起了科學(xué)工作者的共同關(guān)注。在超級電容器中，電極材料是決定電容器性能的至關(guān)重要的因素。其中，作為唯一已經(jīng)工業(yè)化的電極材料，多孔炭材料因其優(yōu)異的導(dǎo)電性，高的比表面積及良好的充放電穩(wěn)定性受到了普遍關(guān)注，是制備電容器電極材料的首選。但鑒于雙電層的儲能機理，這類材料的比電容普遍偏低。因此，通過提高比表面積、合理控制孔結(jié)構(gòu)或構(gòu)建復(fù)合材料

3、是目前研究的熱點內(nèi)容。鑒于此，本工作采用廉價的生物質(zhì)木屑，對瀝青基炭材料進行氧摻雜，可提高材料在電解液中的潤濕性，并通過氧化還原反應(yīng)增加額外的贗電容，從而提升電極材料的總比電容。隨后在上述制備的炭材料表面電化學(xué)沉積聚苯胺，使之形成具有納米線結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極材料，這樣可以減小電解液的擴散阻力，有利于電解液的滲透與反應(yīng)，增加了電極的有效面積，提高了比電容。這些措施可極大地降低制備超級電容器電極材料的成本和提高電容器的電化學(xué)性能。研究過程中采用

4、了掃描電鏡、氮吸附/脫附、X射線衍射技術(shù)、X射線光電子能譜、元素分析等表征方法和循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學(xué)測試方法。主要結(jié)果如下：
　　(1)以煤瀝青(Coal tar pitch, CTP)為碳源前驅(qū)體，木屑(Sawdust, SD)為供氧前驅(qū)體，KOH為活化劑，成功的制備了氧摻雜的多級孔性炭材料。當(dāng)木屑與煤瀝青質(zhì)量比為5:10時，制得的炭材料AC-SD-0.5保留了木屑良好的天然管束狀結(jié)構(gòu)，且比表面積可達2224

5、 m2/g。木屑的引入極大地提高了炭材料的含氧量，其含量增加了24.83 wt.％（同單獨煤瀝青制備而得的炭材料(AC-SD-0)的0.17 wt.%相比較）。在電化學(xué)性能上，電極AC-SD-0.5在0.5 A/g的電流密度下比電容為251 F/g；當(dāng)電流密度提高到5 A/g時，倍率性能為74%；且在2 A/g的電流密度下進行循環(huán)性能測試，7000次循環(huán)后，比電容保留率仍可達93%。其出色的電化學(xué)性能歸因于：
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6、的管束狀結(jié)構(gòu)，為電子、離子的傳輸提供了良好的通道。
　?、谘鯎诫s后改善了電極表面同電解液的潤濕性，提高了贗電容。因此AC-SD-0.5是較理想的超級電容器碳電極材料。
　　(2)選用 AC-SD-0.5為基底，通過電化學(xué)沉積聚苯胺(Polyaniline，PANI)構(gòu)造了具有發(fā)達纖維結(jié)構(gòu)的聚苯胺納米線復(fù)合電極材料。探討了不同時間的沉積量對電化學(xué)性能的影響。其中，在沉積9 min時，由于協(xié)同效應(yīng)的存在，AC-SD-0.5-9

7、min的比電容可達477.65 F/g，倍率性能為89.21%；在循環(huán)5000次后，循環(huán)性能仍可達90.97%。隨后與石墨烯納米片(Graphene nanosheets，GNs)、商業(yè)活性炭(Activated carbon，AC)作為聚苯胺沉積基底制得的電極材料電化學(xué)性能進行了比較，探討了不同基底形貌結(jié)構(gòu)和比表面積對電化學(xué)沉積聚苯胺的電化學(xué)性能的影響。三種不同基底下，比電容值A(chǔ)C-SD-0.5-9 min(477.65 F/g)＞A

8、C-9 min(288.45 F/g)＞GNs-9 min(70.01 F/g)。倍率性能AC-9 min(95.45%)＞AC-SD-0.5-9 min(89.72%)＞GNs-9 min(58.23%)。循環(huán)性能AC-SD-0.5-9 min(90.97%)＞GNs-9 min(72.53%)＞AC-9 min(58.59%)。AC-9 min和GNs-9 min或者是比電容值不理想，或者是倍率性能和循環(huán)性能不能同時兼顧。而基底AC