石油焦基活性炭材料的制備、表征及電容特性研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種新型的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有功率密度大、循環(huán)壽命長和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件、信息通訊、電動(dòng)汽車及航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。其中，活性炭作為商業(yè)化最成功的超級(jí)電容器電極材料，一直是科研工作者們研究的熱點(diǎn)。本文以制備具有高振實(shí)密度、高質(zhì)量比容量的優(yōu)質(zhì)活性炭材料為目標(biāo)進(jìn)行了研究。以廉價(jià)、易得的石油焦為原料，制備出了活性炭電極材料。分析了活性炭的振實(shí)密度、BET比表面積、孔結(jié)構(gòu)及粒徑大小等物理性能，同時(shí)考察了活性炭的

2、質(zhì)量比容量、充放電特性和功率特性等電化學(xué)性能。主要內(nèi)容如下： ⑴以石油焦為原料，以KOH和CO2為活化劑，分別采用化學(xué)活化和物理-化學(xué)聯(lián)合活化兩種活化工藝，制備出了活性炭電極材料CA和CB，考察了兩種工藝對(duì)活性炭物理性能和電化學(xué)性能的影響。CA具有較高的收率、振實(shí)密度以及BET比表面積，分別可達(dá)61.28％、0.35g/ml和2760㎡/g； CB具有較高的中孔率和平均孔徑，分別為24.1％和2.3nm。在1mol/L的Et4N

3、BF4/AN有機(jī)電解液體系下，CA具有較高的質(zhì)量比容量，在1A/g時(shí)CA的質(zhì)量比電容量為137.8F/g；而CB表現(xiàn)出較好的功率特性，20A/g時(shí)的質(zhì)量比容量僅比1A/g時(shí)衰減了4.7％。 ⑵考察了化學(xué)活化法工藝中石油焦粒度對(duì)活性炭性能的影響。活性炭的收率隨著石油焦粒度的減小，先增大再減小。當(dāng)石油焦粒度為325～400目時(shí)，活性炭的收率達(dá)到最大值。石油焦粒徑越小得到的活性炭粒徑也越小，隨著石油焦粒度的不斷減小和均勻程度的不斷提高

4、，活性炭的比表面積有所降低，但收率更高，粒度分布更為集中。活性炭的質(zhì)量比電容隨著石油焦粒度的減小而不斷增大，當(dāng)石油焦粒度<400目時(shí)質(zhì)量比容量取得最大值140.0F/g。石油焦粒度為325～400目時(shí)制備的活性炭在1A/g電流密度下的質(zhì)量比容量為126.6F/g；在20A/g電流密度下質(zhì)量比容量為116.2F/g，表現(xiàn)出良好的功率特性。 ⑶分別采用A、B、C和D作為單一活化劑進(jìn)行活化實(shí)驗(yàn)，考察了活化劑種類對(duì)活性炭性能的影響。比較

5、幾種活化劑制備的活性炭樣品，可以發(fā)現(xiàn)A活化制備的活性炭的質(zhì)量比容量最高，但振實(shí)密度最??；B活化制備的活性炭有相對(duì)較高的振實(shí)密度，但質(zhì)量比容量較低。C和D所制備的活性炭具有很高的振實(shí)密度，但是質(zhì)量比容量非常低，功率特性也非常差。將A和B按不同配比混合作為復(fù)合活化劑時(shí)，制備的活性炭性能明顯優(yōu)于單獨(dú)使用A或B時(shí)的性能。當(dāng)A： B=2：1時(shí)制備的活性炭C21表現(xiàn)出較好的物理性能和電化學(xué)性能，振實(shí)密度高達(dá)0.41g/ml；在充放電電流密度為1A/

6、g時(shí)質(zhì)量比容量達(dá)114.0F/g。當(dāng)充放電電流放大到20A/g時(shí)，質(zhì)量比容量仍保持在93.4％，并表現(xiàn)出了良好的功率特性。 ⑶采用小實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出來的最佳工藝進(jìn)行了小規(guī)模的放大實(shí)驗(yàn)制備了活性炭材料CBS，并組裝成卷繞式超級(jí)電容器電子元件。結(jié)果表明，活性炭CBS的收率達(dá)到65％，振實(shí)密度達(dá)到0.40g/ml，BET比表面積為1509㎡/g，中孔率為16.6％。CBS的材料性能指標(biāo)，與相同工藝條件下小實(shí)驗(yàn)制備的活性炭C21非常接近。超級(jí)

7、電容器的外殼尺寸為Ф12.5×28mm，在Et4NBF4/AN電解液中容量為17.4F，內(nèi)阻為45mΩ。超級(jí)電容器在電流密度為0.5A/g時(shí)，超級(jí)電容器的放電容量為17.4 F，質(zhì)量比容量達(dá)到135.9F/g；當(dāng)電流密度增加到10A/g時(shí)，放電容量為16F，質(zhì)量比容量為124.5F/g，表現(xiàn)出理想的大倍率放電特性。在恒壓2h后，電容器漏電流小于2mA，在2000次循環(huán)后，超級(jí)電容器容量與500次循環(huán)時(shí)相比，衰減量只有4％左右，表現(xiàn)出良好