超級電容器活性炭電極材料的孔徑調(diào)控和表面改性.pdf

1、超級電容器(也稱為電化學(xué)電容器、雙電層電容器)是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件，它具有比傳統(tǒng)電容器更高的比能量、比電池更高的比功率。電極材料是決定電化學(xué)電容器性能的主要因素，因此相關(guān)的工作一直是該領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。 本文開展了高性能活性炭的研制、表征、及其作為超級電容器中電極材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。采用先進(jìn)的活性炭制備工藝，控制和調(diào)節(jié)活性炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)和比表面積；為了改善活性炭的電化學(xué)性能，用硝酸、雙氧水、

2、氨水三種化學(xué)試劑處理和金屬氧化物負(fù)載普通活性炭進(jìn)行表面改性；采用現(xiàn)代儀器分析研究了活性炭電極材料的性質(zhì)，通過恒流充放電、循環(huán)伏安、交流阻抗等電化學(xué)方法研究活性炭電極及其構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)超級電容器的電化學(xué)性能，并與材料性質(zhì)關(guān)聯(lián)，研究了電極材料性質(zhì)與電容器性能的構(gòu)效關(guān)系。主要進(jìn)行了以下幾方面的工作： 以椰殼為原料，ZnCl2和CO2為活化劑，采用ZnCl2-CO2同步物理化學(xué)活化法制備具有可控孔結(jié)構(gòu)和比表面積的活性炭材料，并考察活化工藝參

3、數(shù)對活性炭結(jié)構(gòu)性能的影響，以制備適用于超級電容器的高性能炭電極材料．結(jié)果表明，ZnCl2/原料炭浸漬比、活化溫度、活化時間、CO2流量是影響產(chǎn)品孔結(jié)構(gòu)和比表面積的主要工藝參數(shù)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，研制了具有適宜電解質(zhì)離子的特定孔徑、孔徑分布和比表面積的高微孔率和高中孔率活性炭材料． 研究了孔隙結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)等對活性炭電極及超級電容器的電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，活性炭的比表面積與比容量之間無直接關(guān)系，而孔徑分布對電極材料的比容量影

4、響很大；在KOH電解液中，孔徑范圍在1-5-2.0nm的炭表面有利于提高炭材料的比容量。通過物理化學(xué)同步活化法制備的活性炭樣品具有良好的電化學(xué)可逆性和較高的比電容，比電容高達(dá)230F.g-1至360F.g-1。采用硝酸、雙氧水、氨水三種化學(xué)試劑對活性炭進(jìn)行表面化學(xué)改性，研究表面活性官能團(tuán)對炭材料的雙電層電容性能的影響。結(jié)果表明，不同改性劑均導(dǎo)致活性炭比表面積略有下降，降低的程度隨改性試劑濃度的增大而增大；平均孔徑減小甚微。同時炭表面化學(xué)

5、發(fā)生較大變化，活性炭表面原有-COO-官能團(tuán)含量降低，HNO3和H2O2改性使炭表面增加了=CO和-OH含氧官能團(tuán)，而NH3.H2O改性則增加了-NH2的含氮官能團(tuán)，改善了活性炭表面的親水性，有利于電解質(zhì)離子的吸附，增加形成雙電層的能力。另外，酸處理改性減低了炭材料中的雜質(zhì)，灰分降低。結(jié)果改性炭材料的電化學(xué)性能顯著提高，比容量從145F.g-1增加到250F.g-1，增幅為72.4％：硝酸和雙氧水處理的炭電容器等效串聯(lián)內(nèi)阻(ESR)有較

6、大幅度下降，而氨水改性炭電容器的ESR略微增加。特別值得一提的是電容器漏電流急劇下降，最小僅為3μA，不到改性前的1％。 采用硝酸鎳溶液浸漬、熱處理方法，在活性炭表面引入氧化鎳，形成金屬氧化物表面修飾活性炭，研究分析了其結(jié)構(gòu)和形貌特征，發(fā)現(xiàn)在炭表面負(fù)載了納米級NiO，而該性活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。將NiO表面改性活性炭用作模擬電容器的正極材料，用原活性炭作負(fù)極材料，組裝了不對稱電極模擬電容器，并研究了其電化學(xué)行為．