改性炭電極材料在雙電層電容器中的應用研究.pdf

1、超級電容器(學名電化學電容器)是介于電池與傳統(tǒng)電容之間的一種新型儲能裝置，具有比功率高，循環(huán)性能好、使用壽命長等特點，目前已經(jīng)成為儲能研究領域中的熱門課題之一。其儲電原理有雙電層電容和可逆氧化還原反應引起的法拉第贗電容，所以超級電容器分為雙電層電容器和法拉第準電容器兩大類，其性能的提高主要依靠超級電容器中電極材料的改進。由于多孔炭材料具有成本低，比表面積大，電化學性能好、物理化學性質(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、孔徑分布、表面濕潤性等因素，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。 本課題用化學法改性普通炭材料，改善炭材料的物理化學性質(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；并在炭電極和超級電容器制作工藝上進行了研究。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-化學活化法”、雙氧水氧化和過度金屬鹽修飾進行改性。用

3、自動氮吸附儀、SEM等對電極材料進行了表征，用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學方法研究了改性電極材料構成的電容器性能，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論：1.首先為保證所制模擬電容器的穩(wěn)定性和測試結果重現(xiàn)性，進行了電容器制作工藝的研究。設計和定制了性能優(yōu)異的模擬電容器模具，它具有裝配快速簡單、降低接觸電阻、耐壓性高和密封性、重復性好等特點，為后續(xù)的研究提供硬件保證。 2.通過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到203.5F/g，比未改性的提高64﹪，相對內(nèi)阻低1.9Ω·cm2。恒流充放電、循環(huán)伏安等研究結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。值得一提是改

5、性活性炭的體積和面積比電容從原來的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際應用價值。 4.研究發(fā)現(xiàn)比電容的大幅提高的貢獻主要來自于孔徑分布在1.40至2.78nm之間的超微孔和小中孔。我們推斷，對于直徑較小無機電解質(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，所構成的炭電極有良好的循環(huán)充放電性能以及較高庫侖效率，比電容高達到251.4F/g。實驗也證明，炭材料的電性能與比表面積不一定成正相關，最主要取決于材料的孔結構是否有利于形成雙電層。 6.以雙氧水為氧化劑對活性炭粉末和活性炭纖維進行改性，也取得比較好的效果。對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報道中是很少見的)。說明官能團對炭材料電性能提升的貢獻不容忽視，炭材料的氧化改性工藝具有進一步研究的價值和意義。 7.通過浸漬法和摻雜法對活性炭負載金屬離子或金屬氧化物進行初步研究，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