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(jīng)濟價值?；钚蕴渴侵圃斐夒娙萜麟姌O的首選材料,其結構及性質(zhì)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(zhì)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(zhì)可調(diào)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(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)控活性炭的孔結構和表面化學性質(zhì)。煤炭顯微組分對活性炭孔結構、表面化學性質(zhì)及電化學性能有一定影響。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和有機電解液體系中的電化學性能最優(yōu),其次為鏡質(zhì)組與殼質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(zhì)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