超級電容器用低階煤基活性炭的制備及電化學性能研究.pdf

1、超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲能元件,具有廣闊的應用前景和巨大的經濟價值。活性炭是制造超級電容器電極的首選材料,其結構及性質對超級電容器的性能起著關鍵性作用。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顯微組分等對活性炭孔結構和性能的影響;探索了微波加熱活化法(微波法)及中低溫(<600℃)活化條件下

2、制備超級電容器用活性炭的工藝及方法;深入研究了活性炭的孔結構、微觀結構及表面化學性質對其電極材料電化學性能的影響規(guī)律及 KOH活化法制備低階煤基活性炭的活化機理。
　　研究表明,以低階煤為原料可制備出孔結構及表面化學性質可調的超級電容器用活性炭。原料煤原生孔隙豐富、揮發(fā)分高有利于促進活性炭中孔結構的發(fā)育;煤中無機礦物成分不僅會削弱活化反應劇烈程度,而且會降低活性炭的質量及性能。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),可以有效調控活性炭的孔結構和表面化學性質。煤炭顯微組分對活性炭孔結構、表面化學性質及電化學性能有一定影響。惰質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和有機電解液體系中的電化學性能最優(yōu),其次為鏡質組與殼質組所制活性炭。
　　對活性炭電極材料電化學性能的研究發(fā)現(xiàn),在 KO

4、H電解液體系中,微孔對電極材料比電容的貢獻稍大于中孔,當活性炭的BET比表面積超過2500m2/g后,表面化學性質對提高電極材料的比電容比孔結構更為重要;在有機電解液體系中,中孔對比電容的貢獻遠大于微孔,活性炭的孔結構是影響電極材料比電容的主要因素,表面含氧官能團對提高電極材料的比電容基本沒有促進作用。針對兩種電解液體系對活性炭電極材料孔結構和表面化學性質的要求不同,制備出在KOH及有機電解液體系中比電容分別高達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計、制備超級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%的超級電容器用煤基活性炭。改變堿炭比及微波加熱時間可以對活性炭的孔結構進行調控。
　　探索出中低溫活化條件制備超級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,高的成型密度等特點,在KOH電解液體系中具有優(yōu)異的電化學性能,其質量比電容最高可達369F/g,面積比電容可達23.1μF/cm2,體積比電容可達215F/cm3。通過微波法對該活性炭進行二次活化處理,可大幅度提高其在有機電解液體系中的電化學性能。
　　提出KOH活化法制備低階煤基活性炭的分段活化機理:脫水階段(<200℃),主要是活化料中水分脫除;預活化階段(200~400℃),主要是在原料煤