以淀粉為前驅(qū)體的超級電容器用電極材料的制備及電化學(xué)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(guān)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(chǎn)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(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。少數(shù)專業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)有活性炭電極材料生產(chǎn)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(qū)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(xiàn)代分析檢測手段和多項電化學(xué)測試技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能進(jìn)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(nóng)產(chǎn)品－淀粉及改性產(chǎn)品，包括木薯淀粉，可溶性淀粉，陽離子淀粉，氧化交聯(lián)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(qū)體的活性炭的比表面積，其中以陽離子淀粉，氧化交聯(lián)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(lián)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(xué)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(dá)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(jié)構(gòu)。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(jù)第十次放電曲線計算出的比容量高達(dá)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(xiàn)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(jīng)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?；罨瘻囟龋罨貢r間，堿炭比是影響淀粉活性炭產(chǎn)品的性能的主要因素。以KOH為活化劑，氧化交聯(lián)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(jié)構(gòu)中既存在豐富的微孔又存在大量的中孔結(jié)構(gòu)。在30％KOH溶液中，對其進(jìn)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(xiàn)出良好的對稱性和電容特性。在掃描電勢范圍（0-1.2V）內(nèi)，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(yīng)特征及對稱的電流－電壓反應(yīng)曲線表明電極材料在整個考查的電壓范圍內(nèi)具有優(yōu)良的電容特性。