瀝青基超級(jí)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(jì)的迅猛發(fā)展和人們生活水平的不斷改善導(dǎo)致了對(duì)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(jī)。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(jìn)行了燃料電池、混合動(dòng)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(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，一直未能找到很好的解

2、決辦法。而超級(jí)電容器，作為一種重要的新型儲(chǔ)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(jí)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(chǔ)能機(jī)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(diǎn)內(nèi)容。鑒于此，本工作采用廉價(jià)的生物質(zhì)木屑，對(duì)瀝青基炭材料進(jìn)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(kuò)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(jí)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(cè)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(jí)孔性炭材料。當(dāng)木屑與煤瀝青質(zhì)量比為5:10時(shí)，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(dá)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(dú)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(shí)，倍率性能為74%；且在2 A/g的電流密度下進(jìn)行循環(huán)性能測(cè)試，7000次循環(huán)后，比電容保留率仍可達(dá)93%。其出色的電化學(xué)性能歸因于：
　　①材料中木屑天然

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(jí)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(dá)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(shí)間的沉積量對(duì)電化學(xué)性能的影響。其中，在沉積9 min時(shí)，由于協(xié)同效應(yīng)的存在，AC-SD-0.5-9

7、min的比電容可達(dá)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(dá)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(jìn)行了比較，探討了不同基底形貌結(jié)構(gòu)和比表面積對(duì)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(shí)兼顧。而基底AC