改性炭電極材料在雙電層電容器中的應(yīng)用研究.pdf

1、超級(jí)電容器(學(xué)名電化學(xué)電容器)是介于電池與傳統(tǒng)電容之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，具有比功率高，循環(huán)性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為儲(chǔ)能研究領(lǐng)域中的熱門課題之一。其儲(chǔ)電原理有雙電層電容和可逆氧化還原反應(yīng)引起的法拉第贗電容，所以超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩大類，其性能的提高主要依靠超級(jí)電容器中電極材料的改進(jìn)。由于多孔炭材料具有成本低，比表面積大，電化學(xué)性能好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特征，一直是制作雙電層電容器電極的首選材料。然而

2、，由于表面化學(xué)、孔徑分布、表面濕潤(rùn)性等因素，炭材料的表面積并非全部都能形成雙電層，即表面利用率低，因而，限制了炭基雙電層電容器性能的提高。 本課題用化學(xué)法改性普通炭材料，改善炭材料的物理化學(xué)性質(zhì)，提高炭表面的利用率，制備與研究高性能、低成本的雙電層電容器電極材料；并在炭電極和超級(jí)電容器制作工藝上進(jìn)行了研究。我們選取商品活性炭、活性炭纖維和炭化椰殼三種炭為原料，分別用“同步物理-化學(xué)活化法”、雙氧水氧化和過(guò)度金屬鹽修飾進(jìn)行改性。用

3、自動(dòng)氮吸附儀、SEM等對(duì)電極材料進(jìn)行了表征，用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學(xué)方法研究了改性電極材料構(gòu)成的電容器性能，如：比電容量、內(nèi)電阻、漏電流能等。取得了以下主要成果和結(jié)論：1.首先為保證所制模擬電容器的穩(wěn)定性和測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性，進(jìn)行了電容器制作工藝的研究。設(shè)計(jì)和定制了性能優(yōu)異的模擬電容器模具，它具有裝配快速簡(jiǎn)單、降低接觸電阻、耐壓性高和密封性、重復(fù)性好等特點(diǎn)，為后續(xù)的研究提供硬件保證。 2.通過(guò)KOH高溫活化改性活性

4、炭，比表面積和孔容有較大的提高，BET比表面積從原來(lái)的806m2/g增加到1168m2/g，提高了45﹪；總孔容從0.411cm3/g增加到0.577cm3/g；微孔率略有提高，孔徑分布變化不大。 3.制得KOH改性炭電極比電容高達(dá)到203.5F/g，比未改性的提高64﹪，相對(duì)內(nèi)阻低1.9Ω·cm2。恒流充放電、循環(huán)伏安等研究結(jié)果表明改性活性炭材料具有比電容高、性能穩(wěn)定，功率特性適合大電流放電、及優(yōu)良的循環(huán)性等優(yōu)點(diǎn)。值得一提是改

5、性活性炭的體積和面積比電容從原來(lái)的67.9F/cm3和15.3μF/cm2顯著提高到109.6F/cm3和17.4μF/cm2，使該材料更加具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 4.研究發(fā)現(xiàn)比電容的大幅提高的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于孔徑分布在1.40至2.78nm之間的超微孔和小中孔。我們推斷，對(duì)于直徑較小無(wú)機(jī)電解質(zhì)(KOH)離子，孔徑范圍在微孔上限(supermicropore超微孔)和小中孔(略大于2nm)之間的炭表面有利于形成有效的雙電層。

6、5.使用炭化椰殼為前驅(qū)體以氯化鋅化學(xué)活化，可以制備適合雙電層電容器用電極材料。制備炭材料均為以微孔為主，所構(gòu)成的炭電極有良好的循環(huán)充放電性能以及較高庫(kù)侖效率，比電容高達(dá)到251.4F/g。實(shí)驗(yàn)也證明，炭材料的電性能與比表面積不一定成正相關(guān)，最主要取決于材料的孔結(jié)構(gòu)是否有利于形成雙電層。 6.以雙氧水為氧化劑對(duì)活性炭粉末和活性炭纖維進(jìn)行改性，也取得比較好的效果。對(duì)原活性炭和活性炭纖維用濃度為10﹪的雙氧水改性效果最好，比電容從11

7、8F/g和155F/g分別增加到187.9F/g和201.8F/g；另外，用20﹪的雙氧水改性自制炭樣，比電容高達(dá)300F/g以上(如此低比表面積的純炭材料獲得300F/g以上的比電容在文獻(xiàn)報(bào)道中是很少見(jiàn)的)。說(shuō)明官能團(tuán)對(duì)炭材料電性能提升的貢獻(xiàn)不容忽視，炭材料的氧化改性工藝具有進(jìn)一步研究的價(jià)值和意義。 7.通過(guò)浸漬法和摻雜法對(duì)活性炭負(fù)載金屬離子或金屬氧化物進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)改性效果總體上摻雜要優(yōu)于浸漬法；添加Ni2+、Mn2+和