纳米孔玻态炭—超级电容器的新型电极材料Ⅱ.炭化和活化的研究.pdfVIP

纳米孔玻态炭 超级电容器的新型电极材料 II. 炭化与活化研究 文越华 曹高萍 杨裕生 (防化研究院 北京 100083) 摘 要 我们提出并研制了酚醛树脂基纳米孔玻态炭,用作超级电容器的电极材料 此新型多孔 炭由于比表面较大而可得大比容量 由于块体电导率较高和孔结构合适而可得大比功率 本文在研 究固化温度对材料结构和电容性能影响的基础上 进一步分析了炭化过程中的温度效应 深入探讨 了活化条件与孔结构和电化学电容性能的关系 结果表明 经 900 炭化和 925 CO 活化 30min 所 2 制得的酚醛树脂基多孔玻态炭 比电容和电导率可分别达到 203F/g 和 10S/cm BET 比表面积达到 2 1379m /g,孔径在 10nm 以下 2-4nm 处有较多的分布 关键词 纳米孔玻态炭; 炭化与活化; 高比功率 1 前言 目前新型储能装置 电化学电容器正向着高比能量 高比功率的方向发展 特别 是对大功率电化学电容器需求日趋紧迫 而商品化的电化学电容器大都采用高比表面积 的活性炭粉和活性炭布作电极[1] 这些电极的制作工艺较繁琐 材料电导率低 接触电 阻大 难以满足高比功率的要求 1989 年 美国 LLNL[2]实验室研制了可直接成型 导 电性良好 呈中孔结构的炭气凝胶电极 所组装的电容器比能量和最大功率密度分别达 到 5wh/kg 和 7.7kw/kg 以炭材料的质量计算 但由于制备炭气凝胶所需的超临界干燥 设备造价昂贵 制备周期漫长 难以推广应用 玻态炭 GC 兼有碳和玻璃的特性 呈不透气性 具有机械性能好 电导率高 约 200S/cm 化学性能稳定等特性 但极 慢的固化 炭化升温速率导致其制备周期长 成本高昂 又由于透气率极低而无法整体 [3-5] [6] 活化 不能成为电化学电容器的优良电极材料 Swansea 法中 以酚醛树脂为原料 用 粉碎压制 技术 经快速升温炭化制备了简单形状的玻态炭 在第 I 报中我们借用 此技术 但针对制备多孔炭的需要添加了固化剂 压制体经快速升温炭化和活化制得整 体为开放多孔结构的纳米孔玻态炭电极材料[7] 实验结果表明 合适的固化温度对纳米 孔玻态炭电极材料的结构和电容性能有着十分重要的作用 本文在前报的基础上 系统地研究炭化 活化过程中影响纳米孔玻态炭性能的主 要因素 并探讨其性能与结构的内在关联 以期为进一步研究提供基础数据 提出努力 方向 2 实验部分 2.1 树脂固化 热塑性酚醛树脂 软化点高于 85 游离酚 7% 与 10%六次甲基四胺用球磨混合 置于镍 舟中加热固化 使之形成不熔不溶的固化树脂 冷却后得棕黑色的泡状固化物 2.2 炭化与活化 树脂的体积变化主要发生在 170-250 之间[6] 因此上述泡状固化树脂通过 粉碎压制 成型 后 经炭化以及一定程度的活化 仍能保持基本形状不变 为此 我们用球磨机将固化物研磨成粉 再用油压机压制成片 用称重法使其厚度保持一致 此压制体在氮气保护下 以 5 /min 的速率升 温 经过 600-1000 恒温 30min 炭化后 通入活化剂 CO (流量为 200ml/min) 并以 8 /min 的速