基于絲瓜絡(luò)介孔碳材料的電化學(xué)超級(jí)電容器.pdf

1、電化學(xué)超級(jí)電容器又叫雙電層電容器，它具有充放電快，較高比電容，以及良好的循環(huán)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器在電子產(chǎn)品，電動(dòng)汽車以及軍工產(chǎn)品等有巨大的應(yīng)用前景。特別是近年來(lái)，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保產(chǎn)品得到廣大市民的青睞，超級(jí)電容器作為環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品也受到研究學(xué)子的廣泛關(guān)注。
　　超級(jí)電容器主要組成部分包括電極、電解液以及隔膜，而電極材料是超級(jí)電容器最為核心部分，也是研究的重點(diǎn)。碳基材料是研究最早也最成熟的電極材料，包括活性炭、碳纖維、炭黑

2、、碳?xì)饽z、碳納米管以及石墨烯等。但是，目前研究較多的碳基材料大多還處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。超級(jí)電容器的實(shí)際生產(chǎn)成本較高，電極材料來(lái)源匱乏，制備過(guò)程較為復(fù)雜。此外，超級(jí)電容器的比電容，比能量，循環(huán)使用壽命等電化學(xué)性能都有待進(jìn)一步提高。本文旨在降低超級(jí)電容器生產(chǎn)成本，提高它的比電容、比能量等電化學(xué)性能。
　　本文以絲瓜絡(luò)為原材料，通過(guò)炭化、活化制備絲瓜絡(luò)活性炭。通過(guò)氮?dú)馕矫摳奖碚?，絲瓜絡(luò)活性炭的比表面積高達(dá)2790m2/g，孔容為

3、1.3672cm3/g，平均孔徑為1.9588nm。以絲瓜絡(luò)活性炭作為電極材料，組裝成紐扣型超級(jí)電容器并測(cè)試其電化學(xué)性能。此外，研究了絲瓜絡(luò)活性炭結(jié)合石墨烯、Co3O4等制備復(fù)合材料在水系電解液中的電化學(xué)性能，表明絲瓜絡(luò)活性炭是一類電化學(xué)性能極好的電極材料。
　　以等質(zhì)量的絲瓜絡(luò)活性炭組裝成紐扣型對(duì)稱超級(jí)電容器，電解液為6M KOH。在0.048A/g的電流密度下恒流充放電測(cè)試，工作電壓為1.2V，充放電線性關(guān)系以及對(duì)稱性較好。由

4、公式計(jì)算，絲瓜絡(luò)活性炭的比電容高達(dá)356.77F/g，能量密度為12.49wh/kg。大電流下，10000次循環(huán)充放電后，絲瓜絡(luò)活性炭比電容依然保持在最初的86.3％。且8000次充放電之后，能量效率維持在83%左右，表現(xiàn)出良好的循環(huán)使用壽命以及能量利用率。以1M C8H20BF4N/PC為電解液，等質(zhì)量絲瓜絡(luò)活性炭組裝成紐扣型對(duì)稱超級(jí)電容器。當(dāng)電流密度為0.2A/g時(shí)，絲瓜絡(luò)活性炭充放電過(guò)程線性關(guān)系以及對(duì)稱性良好，工作電壓達(dá)到2.7V

5、，比能量為16.395wh/kg。在6M KOH電解液中進(jìn)行三電極測(cè)試，當(dāng)電流密度為1A/g時(shí)，絲瓜絡(luò)活性炭的比電容為338F/g，這要好于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的生物質(zhì)活性炭的比電容。除此之外，我們還進(jìn)行了三電極循環(huán)伏安以及電化學(xué)阻抗測(cè)試。特別是在1M Na2SO4電解液中循環(huán)伏安圖類似矩形，表現(xiàn)為雙電層超級(jí)電容器電化學(xué)行為。電勢(shì)窗口為-0.6~0.8V，表明其擁有較大的工作電壓范圍。
　　將絲瓜絡(luò)活性炭與石墨烯結(jié)合制備復(fù)合材料，以等質(zhì)

6、量的復(fù)合材料組裝成紐扣型對(duì)稱超級(jí)電容器。當(dāng)電解液為1M C8H20BF4N/PC，石墨烯與絲瓜絡(luò)活性炭的質(zhì)量比為5%時(shí)，復(fù)合材料的比電容最大達(dá)到了130.8F/g。若以6M KOH為電解液，電流密度為35mA/g，其比電容為182.7F/g。充放電線性關(guān)系以及對(duì)稱性較好，表現(xiàn)為對(duì)稱型超級(jí)電容器的電化學(xué)行為，但比電容比絲瓜絡(luò)活性炭要小，表明絲瓜絡(luò)活性炭是一類電化學(xué)性能極好的電極材料。在大電流下，進(jìn)行1000次循環(huán)充放電測(cè)試后，其比電容保有

7、率為97%，石墨烯與絲瓜絡(luò)活性炭復(fù)合材料擁有良好的循環(huán)使用壽命。在6M KOH電解液中進(jìn)行三電極測(cè)試，電化學(xué)阻抗譜圖表明復(fù)合材料的傳質(zhì)阻抗以及擴(kuò)散阻抗都較小，這有助于提高超級(jí)電容器的使用壽命以及其他電化學(xué)性能。
　　將絲瓜絡(luò)活性炭與 Co3O4結(jié)合采用共沉淀法以及水熱合成法制備復(fù)合材料AC/Co3O4，以質(zhì)量相等的復(fù)合材料組裝成紐扣型對(duì)稱贗電容器，其中電解液為6M KOH。采用共沉淀法，當(dāng)Co3O4與AC質(zhì)量比為30%，電流密度為

8、0.055A/g時(shí)，復(fù)合材料的比電容達(dá)到了516.2F/g，工作電壓范圍為1.2V。充放電過(guò)程線性關(guān)系、對(duì)稱性較差，表現(xiàn)出贗電容性能。在大電流密度下，1500次循環(huán)充放電后比電容衰減較為平緩，并未出現(xiàn)明顯的衰減，比電容保有率達(dá)到了95.5%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)使用壽命。在電解液為6M KOH中進(jìn)行三電極恒流充放電測(cè)試，當(dāng)Co3O4與AC質(zhì)量比為30%，電流密度為1A/g時(shí)，復(fù)合材料的比電容最大達(dá)到了603F/g，表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能。