以淀粉為前驅體的超級電容器用電極材料的制備及電化學性能研究.pdf

1、超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能元器件，具有超大容量及快速貯存和釋放能量的特點。電極材料的性能是影響超級電容器性能的關鍵問題之一。商品化的超級電容器用電極材料主要以活性炭為主，活性炭的生產廠家很多，但是由于其主要用途不集中在超級電容器電極材料，電化學性能遠遠不能達到要求。少數專業(yè)生產的超級電容器用活性炭亦存在比容量偏低、價格昂貴、性能不穩(wěn)定等缺點。此外，目前活性炭生產原料中大部份是以生長周期長的木材及不能再生的礦物類，

2、因而活性炭原料來源受到大大限制。 基于此，針對現有活性炭電極材料生產存在的問題，首次提出采用可再生且再生周期短、環(huán)保、來源廣泛、價格低廉的淀粉作為前驅體制備超級電容器電極材料。優(yōu)化制備方法和制備工藝，制備出具有大倍率、高容量、大功率、高可逆性，低阻抗的性能優(yōu)良的新型超級電容器電極材料。并采用SEM、TG-DTA現代分析檢測手段和多項電化學測試技術，對其結構、電化學性能進行了深入的研究。 （1）系統(tǒng)考察了淀粉原料的類型，篩

3、選出最佳的淀粉原料。以豐富、可再生、對環(huán)境友好、價格低廉的農產品－淀粉及改性產品，包括木薯淀粉，可溶性淀粉，陽離子淀粉，氧化交聯淀粉，接枝淀粉等為原料合成淀粉活性炭材料。測定以各種淀粉原料為前驅體的活性炭的比表面積，其中以陽離子淀粉，氧化交聯淀粉為原料制備的淀粉活性炭具有較高的比表面積。從而選出最佳的淀粉原料－陽離子淀粉和氧化交聯淀粉。 （2）分別采用KOH活化、ZnCl2活化、ZnCl2+CO2活化三種活化方法制備了淀粉活性炭

4、材料，全面地比較了三種淀粉活性炭電極材料的電化學性能，篩選出最優(yōu)的活化方法。在三種活化工藝中，以KOH為活化劑，陽離子淀粉為原料，在炭堿比為1/3，活化溫度為850℃，活化保溫時間為1.5h的工藝條件下制備的陽離子淀粉活性炭BET比表面積高達3332m2/g，具有較大的孔體積(1.585 cm3/g)，與其它活化方法制備的活性炭具有明顯不同的表面形貌和孔隙結構。以其作為電極材料的超級電容器恒流充放電測試表明，在相同充放電流密度下，KOH

5、活化工藝制得的電極具有最高的比電容。在30％的KOH溶液中，在電流密度為370mA/g，電壓范圍在0.05-1.2V時，根據第十次放電曲線計算出的比容量高達238F/g，是市售超級電容器用活性炭電極材料的兩倍。此外，以KOH活化的淀粉活性炭制成的超級電容器電極表現出優(yōu)良的電容性能，具有較好的可逆性，低阻抗等特點。而對于ZnCl2和ZnCl2+CO2活化法，其BET比表面積相對較低，分別為1674m2/g和1939m2/g，在電流密度為3

6、70mA/g的放電比容量分別為136F/g和139F/g，比容量比市售的超級電容器活性炭稍高。經研究在淀粉原料體系下，選出KOH活化為最佳的optimal方法。 （3）優(yōu)化了淀粉活性炭的KOH活化工藝。活化溫度，活化保溫時間，堿炭比是影響淀粉活性炭產品的性能的主要因素。以KOH為活化劑，氧化交聯淀粉為原料的最佳制備工藝條件為活化溫度為850℃，活化保溫時間為2h，堿炭比為2/1。在該條件下制備的淀粉活性炭具有較高的比表面積（13

7、20m2/g）和高比容量（204F/g），其孔結構中既存在豐富的微孔又存在大量的中孔結構。在30％KOH溶液中，對其進行循環(huán)伏安測試表明：在不同的掃描速率下，該淀粉活性炭的電流隨著電壓變化曲線均具有較好的矩形形狀，體現出良好的對稱性和電容特性。在掃描電勢范圍（0-1.2V）內，沒有明顯的法拉第氧化－還原峰，電極的容量幾乎完全由雙電層電容提供。這些電容反應特征及對稱的電流－電壓反應曲線表明電極材料在整個考查的電壓范圍內具有優(yōu)良的電容特性。