超级电容器用竹基活性炭的制备及其电化学性能的研究材料学专业论文.docxVIP

超级电容器用竹基活性炭的制备及其电化学性能的研究摘要 超级电容器用竹基活性炭的制备及其电化学性能的研究 摘要 本论文从可再生生物质原材料一竹材出发，经过炭化和KOH化学活化处理，制备 了超级电容器用电极材料一竹基高比表面积活性炭。采用热重分析、比表面积及孔径分 布测试、SEM、XRD等手段分析了竹材和竹基炭的基本结构和性质。系统考察了炭化 温度、碱炭比、活化温度和活化时间等工艺参数对竹基活性炭的收率、比表面积、孔结 构和微观形貌的影响，确立了调控活性炭结构和性能的工艺方法和工艺条件。将所制得 的竹基高比表面积活性炭用作超级电容器的电极材料，以lmol／L的LiPF6有机溶液作电 解质溶液，探讨了不同的活化工艺参数对竹基高比表面积活性炭的直流充放电、循环伏 安及交流阻抗等电化学性能的影响，确立了制备竹基活性炭的最优工艺条件，并以此工 艺条件下获得的竹基活性炭采用超声混合纤维化辊压成片工艺制备超级电容器用电极， 将制备的电极组装成模拟纽扣式超级电容器。考察了活性炭粒度、粘结剂用量、导电炭 黑添加量等电极制备工艺和电解液种类对竹基活性炭电极电化学性能的影响。 研究表明，竹材作为一种生物质原材料，其主要成分是木质素、纤维素和水分等。 其炭化过程主要包括水分析出、保持、热解以及缓慢失重4个阶段，并且主要的变化发 生在220—400℃之间，失重率最高达69％。竹材炭化后所得竹炭仍属无定型炭，继承了 原有竹材的微观结构。炭化温度是影响竹炭形貌特征和微观结构的重要因素，随着炭化 温度的升高，竹炭的横切面收缩率逐渐增大，h}YJJ结构也发生了变化，竹炭中的石墨微 晶的尺寸和数目均呈增大的趋势，而其比表面积呈先增大后减小的趋势。 炭化温度、碱炭比、活化温度及活化时问是影响竹炭基高比表面积活性炭结构和性 能的主要工艺参数。竹基活性炭的收率随炭化温度的升高而增大，随碱炭比的增大、活 化温度的升高、活化时间的延长而减小。而其比表面积和总孔容则随着炭化温度的升高、 碱炭比的增大、活化温度的升高和活化时间的延长均呈先增大后减小的趋势。炭化温度 对竹基活性炭的孔径分布有较大影响，适当降低炭化温度可得到孔径较大、孔径分布较 宽的活性炭；适当增大KOH活化剂用量能增大活性炭的比表面积和总孔容，并会达到 一定的扩孔效果；随着活化温度的升高，孔径分布整体上向着孔径增大的方向移动；合 理控制并适当缩短活化时间可得到孔径较大、孔径分布较宽的活性炭。 不同炭化温度、碱炭比、活化温度和活化时间条件下获得的竹基高比表面积活性炭 电极在1mol／L LiPF6有机电解液中的比电容随着炭化温度的升高、碱炭比的增大、活化 温度的升高与活化时间的延长均呈先增大后减小趋势。当控制炭化温度为500℃，碱炭 比为4：1，活化温度为800℃，活化时间为1h所得竹基活性炭，其比容量最高可达 183．6F儋。不同制备工艺条件下制备得到的竹基活性炭电极的循环伏安曲线形状均为类 矩形，具有一定的对称性，循环伏安曲线中不存在法拉第氧化．还原峰，EDLC的电容量 全部由双电层电容提供。竹基活性炭电极的交流阻抗谱图是由高频区的半圆、较高频区 硕lj学位论文约450的斜线和低频区与横轴几乎垂直的直线组成。活性炭电极的阻抗特性与活性炭的 硕lj学位论文 约450的斜线和低频区与横轴几乎垂直的直线组成。活性炭电极的阻抗特性与活性炭的 孔结构密切相关，提高活性炭的中孔含量有助于提高电解质离子在活性炭中的迁移速 率，从而降低活性炭的内阻。 活性炭粒度、粘结剂用量、导电炭黑添加量等超级电容器电极制备工艺参数及电解 液种类是影响竹基高比表面积活性炭电极电化学性能的重要因素。随着活性炭颗粒尺寸 的减小，竹基活性炭电极的比电容呈先增大后减小的趋势、漏电流呈增大的趋势。随着 粘结剂PTFE用量的增加，竹基高比表面积活性炭电极电荷传递阻抗＆。逐渐增大，比 电容逐渐减小，容量保持率不断降低。随着导电炭黑添加量的增加，竹基活性炭电极的 比电容明显增加，漏电流逐渐减小，电荷传递阻抗＆。明显减小。当活性炭平均粒径为 3．889m，粘接剂用量为5％，导电炭黑添加量为10％时，所得竹基活性炭电极比容量高 达1 87．9 F／g。 竹基活性炭电极在不同电解液中首次充电曲线均发生弯曲，而放电曲线呈良好的线 性。竹基活性炭电极在不同电解液中的放电比容量均随放电电流密度的增加而呈下降的 趋势，在30％KOH溶液及DLC306有机溶液中均保持较高的容量保持率；在30％KOH 溶液、DLC307及LBC305中均表现出良好的循环稳定性，而在DLC306的循环稳定性 较差；在30％KOH溶液中具有最小的电荷传递电阻和最好的综合电化学性能。 关键词：超级电容器；竹材；竹基活性炭；孔结构；电极制备工艺；电化学性能 超级电容器J【}j竹基活性炭的制各及其电化