超級(jí)電容器用低階煤基活性炭的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件,具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?；钚蕴渴侵圃斐?jí)電容器電極的首選材料,其結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對(duì)超級(jí)電容器的性能起著關(guān)鍵性作用。本文以低階煤為原料,采用低溫N2吸附法、XRD、SEM、FTIR及XPS等方法,系統(tǒng)考察了KOH活化法制備超級(jí)電容器用低階煤基活性炭的制備工藝、低階煤種類及煤炭有機(jī)顯微組分等對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)和性能的影響;探索了微波加熱活化法(微波法)及中低溫(<600℃)活化條件下

2、制備超級(jí)電容器用活性炭的工藝及方法;深入研究了活性炭的孔結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)其電極材料電化學(xué)性能的影響規(guī)律及 KOH活化法制備低階煤基活性炭的活化機(jī)理。
　　研究表明,以低階煤為原料可制備出孔結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)可調(diào)的超級(jí)電容器用活性炭。原料煤原生孔隙豐富、揮發(fā)分高有利于促進(jìn)活性炭中孔結(jié)構(gòu)的發(fā)育;煤中無機(jī)礦物成分不僅會(huì)削弱活化反應(yīng)劇烈程度,而且會(huì)降低活性炭的質(zhì)量及性能。以褐煤為原料,KOH為活化劑,可制備出比表面積為665

3、~3885m2/g,總孔容為0.356~2.211cm3/g,中孔率為18.8~74.9％的煤基活性炭。改變堿炭比及活化溫度等工藝參數(shù),可以有效調(diào)控活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。煤炭顯微組分對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)及電化學(xué)性能有一定影響。惰質(zhì)組所制活性炭的比表面積最大,中孔率及氧含量最高,其電極材料在 KOH和有機(jī)電解液體系中的電化學(xué)性能最優(yōu),其次為鏡質(zhì)組與殼質(zhì)組所制活性炭。
　　對(duì)活性炭電極材料電化學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn),在 KO

4、H電解液體系中,微孔對(duì)電極材料比電容的貢獻(xiàn)稍大于中孔,當(dāng)活性炭的BET比表面積超過2500m2/g后,表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)提高電極材料的比電容比孔結(jié)構(gòu)更為重要;在有機(jī)電解液體系中,中孔對(duì)比電容的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于微孔,活性炭的孔結(jié)構(gòu)是影響電極材料比電容的主要因素,表面含氧官能團(tuán)對(duì)提高電極材料的比電容基本沒有促進(jìn)作用。針對(duì)兩種電解液體系對(duì)活性炭電極材料孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的要求不同,制備出在KOH及有機(jī)電解液體系中比電容分別高達(dá)420F/g和197F/

5、g的低階煤基活性炭,并形成了按不同電解液體系設(shè)計(jì)、制備超級(jí)電容器用煤基活性炭的思路。
　　將微波法用于低階煤基活性炭的制備,實(shí)現(xiàn)了活性炭的高效活化。以褐煤為原料, KOH為活化劑,采用微波法可制備出比表面積為2097m2/g,總孔容為1.193cm3/g,中孔率為53.6%的超級(jí)電容器用煤基活性炭。改變堿炭比及微波加熱時(shí)間可以對(duì)活性炭的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。
　　探索出中低溫活化條件制備超級(jí)電容器用活性炭的新方法。該方法所制活性炭

6、具有中等比表面積,豐富的表面官能團(tuán),高的成型密度等特點(diǎn),在KOH電解液體系中具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,其質(zhì)量比電容最高可達(dá)369F/g,面積比電容可達(dá)23.1μF/cm2,體積比電容可達(dá)215F/cm3。通過微波法對(duì)該活性炭進(jìn)行二次活化處理,可大幅度提高其在有機(jī)電解液體系中的電化學(xué)性能。
　　提出KOH活化法制備低階煤基活性炭的分段活化機(jī)理:脫水階段(<200℃),主要是活化料中水分脫除;預(yù)活化階段(200~400℃),主要是在原料煤