双电层电容器用改性褐煤基多孔炭材料的制备及性能研究

发布时间：2020-06-04 14:09

【摘要】：电化学电容器(也称超级电容器)由于具有快速充放电、高的功率密度、循环寿命长和环境友好等特点,受到了广泛关注。电极材料是决定电化学电容器性能的关键因素。多孔炭材料具有比表面积高、价格低廉以及导电性良好等特点,使其成为制备电化学电容器电极的首选材料。研究与开发具有高比表面积和适当孔隙的多孔炭是电极材料的研究热点。本论文以廉价的褐煤为碳源,通过掺杂木质素和水热炭化两种方法制备改性褐煤基多孔炭并将其作为电化学电容器的电极材料。采用氮气等温吸附法、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和透射电子显微镜(TEM)等对所制备的多孔炭结构进行表征,同时对多孔炭作为电极材料的循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等电化学性能进行了研究。主要的研究内容和结论如下:(1)胜利褐煤掺杂木质素共炭化活化制备改性褐煤基多孔炭。研究发现,木质素的失重范围较宽有利于孔道的拓展与延伸进而提高褐煤的孔隙,加入木质素可显著增大多孔炭的比表面积,但过量木质素加入发生扩孔作用导致部分孔的塌陷使多孔炭的比表面积减小。不同制备工艺所得多孔炭作为双电层电容器电极材料均具有良好的电化学性能,表现出典型的电容器特征,且比电容随着多孔炭的比表面积的增大而逐渐增大,但是二者不呈简单的线性正比关系。孔径分布对比电容也有较大的影响,2 nm以下的孔有利于增大比电容,活化温度的升高促进中孔的生成。制备的多孔炭PCA2(木质素与褐煤质量比为5:5、炭化温度为500 ~oC、活化温度为700 ~oC和碱炭比为3:1)有较大的比表面积和较好的孔径分布,在电流密度为40 mA g~(-1)时,比电容高达341 F g~(-1)。(2)对胜利褐煤进行水热炭化处理,用KOH活化制备改性褐煤基多孔炭。研究发现,经水热炭化处理所得多孔炭比直接活化褐煤所得多孔炭比表面积大,且多孔炭主要是以微孔为主。改变水热炭化温度、碱炭比和活化温度等参数,可有效调控多孔炭孔结构。在水热炭化温度为200 ~oC,碱炭比为3:1和活化温度为800 ~oC,所得多孔炭的比表面积为3069m~2 g~(-1),孔体积为1.68 cm~3 g~(-1),其表现出优异的电化学性能,当电流密度从40 mA g~(-1)增加到10 A g~(-1),比电容仅从295 F g~(-1)下降到210 F g~(-1),说明多孔炭电极材料具有好的倍率性能。且经过15000次循环,比电容下降率仅为6.2%,具有优异的循环性能。
【图文】：

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乙炔黑 — 合肥科晶材料技术有限公司泡沫镍 — 合肥科晶材料技术有限公司隔膜（PPAT-CN1(2)） — 上海世龙科技有限公司氩气高纯徐州特种气体厂炭的制备（Preparation of PCs）质素掺杂褐煤共炭化活化制备多孔炭褐煤木质素共炭化焦KOH活化多孔炭水洗酸洗图 2-1 木质素掺杂褐煤多孔炭制备流程图Figure 2-1 The preparation process of PCs from the lignin-doped lignite3

吸脱附等温线,类型,乙炔黑,集流体

图 2-4 六种类型吸脱附等温线Figure 2-4 Types of adsorption-desorption isotherms器组装及其电化学性能分析（ECs Assembler and Elence Analysis）电极的制备质（多孔炭）、导电剂（乙炔黑）和粘合剂（聚四氟乙烯乳液，，:5 进行混合研磨，然后用 6 MPa 的压力将其压制成直径约 13 mm镍作为集流体，活性物质质量约为 10 mg。双电层电极片的制备电极材料粘合剂乙炔黑混合压制集流体电极极片相对压强（P/P0）
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53

【参考文献】