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《超级电容器炭基电极材料制备及其电容性能研究》篇一一、引言超级电容器是一种能够储存并快速释放电能的高效电化学储能装置，而炭基电极材料则是影响其性能的关键因素之一。
随着科学技术的进步，对于高能量密度、高功率密度和长寿命的超级电容器需求日益增长，因此，研究制备高性能的炭基电极材料显得尤为重要。
本文旨在探讨超级电容器炭基电极材料的制备方法及其电容性能的研究。
二、炭基电极材料的制备2.1 材料选择与预处理在炭基电极材料的制备过程中，首先需要选择合适的原材料。
常见的炭材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等优点，是制备超级电容器炭基电极材料的理想选择。
在制备过程中，还需对原材料进行预处理，如煅烧、研磨等，以提高其纯度和均匀性。
2.2 制备方法目前，制备炭基电极材料的方法主要包括物理法、化学法和模板法等。
其中，物理法主要包括高温碳化、物理活化等；化学法主要包括化学气相沉积、溶胶凝胶法等；模板法则是利用模板剂制备具有特定结构的炭材料。
本文采用化学气相沉积法，通过控制反应条件，制备出具有高比表面积和优异电导率的炭基电极材料。
三、电容性能研究3.1 循环伏安法循环伏安法是研究超级电容器电容性能的重要手段之一。
通过在不同扫描速率下测量循环伏安曲线，可以获得电极材料的比电容、充放电性能等关键参数。
本文采用循环伏安法对所制备的炭基电极材料进行测试，并分析其电容性能。
3.2 电化学阻抗谱电化学阻抗谱是研究电极材料内阻和界面性质的重要手段。
通过测量电化学阻抗谱，可以了解电极材料的内阻大小、电荷传输速率以及电解质离子在电极材料中的扩散情况。
本文利用电化学阻抗谱技术，对所制备的炭基电极材料的内阻和界面性质进行深入研究。
3.3 实际应用测试除了实验室测试外，本文还对所制备的炭基电极材料进行了实际应用测试。
通过将其组装成超级电容器器件，在不同充放电速率下测试其性能表现，评估其在能源储存与转换领域的应用潜力。
煤基碳材料制备与电化学储能应用李振;尚颖泽;朱张磊;常静;赵凯【期刊名称】《洁净煤技术》【年(卷),期】2024(30)5【摘要】煤基碳材料作为一种重要煤衍生碳材料,优点主要体现在比表面积高、导电性好、资源丰富且价格低,在储能领域应用前景广阔。
煤基碳材料制备方法主要包括活化法、模板法以及杂原子掺杂法等。
活化法是常用煤基碳材料制备方法,通过高温下用气体或化学试剂对煤活化处理,可获得具有高比表面积和丰富孔结构的煤基碳材料。
模板法通过选择合适模板材料,制备有特殊孔结构的碳材料,且孔径均一、结构有序。
杂原子掺杂法通过向煤基碳材料中引入杂原子,调控其电子结构和电化学性能,不仅可在碳材料表面形成官能团,提高材料反应效率,还可通过氧化还原反应产生赝电容,提高材料电化学性能。
以煤为前驱体制备的煤基电极材料种类繁多,包括煤基无定形碳、煤基多孔碳、煤基石墨、煤基碳纳米纤维、煤基石墨烯及煤基石墨烯量子点等。
与传统碳电极材料前驱体(天然石墨、石油焦、沥青焦等)相比,煤基碳材料芳香层片结构和烷基支链有特殊性质,芳香层片经高温石墨化形成横向延展的石墨晶层,而烷基支链则形成有活性基团的碳中间体或小分子团簇,进一步构筑出新碳材料,使煤基碳材料具备制造电极材料优势。
在电化学储能领域,煤基电极材料已广泛的应用。
研究者已将煤基碳材料应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等储能器件,并取得良好性能表现。
煤基碳材料作为潜力巨大的新型能源材料,具有广阔应用前景和重要研究意义。
然而,目前煤基电极材料在储能领域研究仍存在着许多困难和挑战,如在对原煤处理过程中强氧化剂的使用、对高温高压环境和特殊保护气氛的需求,都会产生污染环境的废弃物及副产品。
因此,未来不仅需优化煤基碳材料制备工艺、提高材料电化学性能、拓展煤基碳材料在能源储存领域应用,更需采用绿色、安全且经济的方法规模化制备高品质煤基碳材料,以期为煤炭清洁、高效、低碳利用提供支持,为开发先进煤衍生碳材料提供参考。
超级电容器用活性炭的制备与电化学表征分析发布时间：2021-04-15T13:45:42.637Z 来源：《科学与技术》2021年第2期作者：江斌[导读] 本文将煤焦油沥青当作前躯体，用当前常用的化学活化法进行超级电容江斌天津清研微能科技有限公司天津市 300304摘要：本文将煤焦油沥青当作前躯体，用当前常用的化学活化法进行超级电容器用高比表面活性炭以及活性炭电极的制备，从中剖析了活化温度对活性炭电极比电容量所产生的影响，并对活性炭电极的充放电性能与活性炭材料的比表面积、孔结构之间的关联性，另外还对活性碳电极开展了电化学表征，望能为此领域研究提供些许借鉴。
关键词：活性炭；超级电容器；电化学表征超级电容器实为一种多用且关键的储能器件，介于电容器与电池之间；现阶段，商用超级电容器所采用的电极材料多为高比表面活性炭材料，但是活性炭价格昂贵，已经成为对超级电容器持续发展造成限制的重要因素。
所以，选用有较低价格的原材料，且尝试可控且简便的工艺来进行超级电容器用多孔活性炭的制备，至关重要。
需要指出的是，化学活化是对高比表面多孔活性炭进行制备的常用且有效方法，活性炭的性能由特定的活化工艺及前驱体所决定，本文将煤焦油沥青当作前驱体，把KOH当作活化剂，用化学活化法进行超级电容器用高比表面活性炭的制备，且经恒流充放电对活性炭电极所对应的比电容量进行测定，从中剖析不同活化温度对电极比电容量所具有的影响，以及电极所具有的电化学表征，现就此探讨如下。
1.实验方法1.1制备活性炭材料与表征分析在不同温度下，按照1:4的质量比例（煤焦油沥青：KOH）进行活化，热处理指标：加热速率为每分钟5℃，氩气气流为每分钟60mL，保温时间为2h。
在冷却出炉之后，首先用稀盐酸进行洗涤，然后再用去离子水将pH值降低至6.5。
在干燥之后，用N2吸附仪（Micro- 2000型）对活性炭电极材料所对应的孔隙结构、比表面积进行分析。
1.2制备活性炭电极与形貌表征把PTFE（5%）、乙炔黑与自制活性炭按照5:10:80的质量比混合在一起，与此同时，将一些乙醇、去离子水加入其中，持续搅拌2h，反复碾压粘稠状电极活性浆料，且在特定压力下，把它碾压至事先准备好的泡末镍集流体上，各片电极的面积均为0.78cm2，载碳量是8~10mg/cm2，电极的厚度是0.50mm。
高性能活性炭电极材料的制备及应用的开题报告
一、研究背景和意义
随着环境污染问题日益突出和人们对能源的需求不断增大，高性能活性炭电极材料逐渐成为电化学储能和电化学传感器领域的研究热点之一。
活性炭是一种具有高度孔隙结构、化学稳定性好等优点的新型材料，其孔径分布与孔壁表面特性可以根据不同的制备条件来控制，常被用作电极材料。
因此，研究高性能活性炭电极材料的制备及应用具有重要的现实意义。
二、研究内容和方法
本文主要研究高性能活性炭电极材料的制备及应用，其中包括以下内容：
1.活性炭电极材料的制备方法研究：较为常见的制备方法有物理法、化学法、物理化学法等，本文将对这些方法进行比较和探讨，优化制备技术，得到较优的制备方案。
2.活性炭电极材料的性能研究：包括电化学性能、表面化学性质、孔隙结构等方面，通过实验手段，对制备出的活性炭电极材料进行性能测试。
3.活性炭电极材料的应用研究：主要应用于电化学储能和传感器等领域，通过实验手段研究活性炭电极材料在这些领域中的应用效果。
本文研究方法主要包括实验室实验以及文献调研和分析等。
三、研究预期和意义
通过本文研究，将得到高性能的活性炭电极材料，并且对活性炭电极材料的制备方法、性能研究以及应用方面做到更为深入的了解。
此外，本文研究还将为电化学储能和传感器等领域的应用提供实用性的活性炭电极材料，并在工业生产中具有广泛的应用前景。
煤基活性炭的制备与电化学性能表征马俊斯【摘要】对太西无烟低灰煤与K2CO3混合制备煤基活性炭进行试验,分析了不同活化温度下所制活性炭的结构与电化学性质,在活化温度为900℃时,制得的活性炭产品比表面积与孔容分别达到2 382 m2/g和1.0964 cm3/g,最大比电容可达到126 F/g.【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P57-60)【关键词】无烟煤;煤基活性炭;化学活性;双电层电容;比表面积【作者】马俊斯【作者单位】神华宁夏煤业集团太西炭基工业有限公司,宁夏石嘴山753000【正文语种】中文【中图分类】TQ424.1随着便携式电子产品和数字设备的蓬勃发展以及人们对高功率电力能源需求的不断增长，电化学电容器(ECs)备受关注。
根据电荷存储机理，电化学电容器可分为两类，即电化学双电层电容器(EDLC)和赝电容器。
活性炭(AC)作为双电层电容器的一种材料，由于其来源丰富、价格低廉、环保健康、骨架结构坚实、比电容大(SC)、循环寿命长等优点[1-4]，已被公认为制备电容器最有前景的电极材料。
由于EDLC比电容的产生是来自于电极/电解质界面所形成的双电层，因此许多学者致力于研究如何最大化地提高AC的比表面积和孔隙率。
根据电容器材料的要求，主要有两种方法可提高AC的比表面积和孔隙率：一是选用含有纤维结构的天然材料，另一种是采用活化或激活的方式达到改善提高的目的。
可用于制备AC的生物原料有很多，如稻壳[5]、竹子[6]、木柴[7]、椰壳[8]、坚果壳[9]等。
然而，由于原料来源不稳定、含碳量低、产率低等劣势，限制了生物基活性炭的应用。
近年来，煤炭作为一种优质的生物质衍生炭材料，越来越受到广泛关注，主要原因有[10.11]：① 煤炭(无烟煤)中的固定碳含量高达81.2%以上，均高于竹子、木柴和椰壳等，高的含碳量是高产率的有力保障；② 据官方数据统计，世界可探明的煤炭储量约9090.64亿t，广阔的矿产资源、较低的价格优势使得煤制活性炭的前景乐观；③ 煤炭中所含有的植物纤维衍生物经过百万年的炭化过程，大大简化了活化条件，这不仅可降低AC产品的生产成本，同时也加速了加热过程。
新型炭材料的制备及其电化学性能研究随着能源危机日益加剧，人们对于新能源的需求越来越强烈。
然而，在新能源领域，电化学储能技术仍然是一项难题。
虽然锂离子电池技术已经得到广泛应用，一些大型电网储能和电动汽车等领域仍面临着许多挑战。
因此，寻求更高效的电化学储能材料也成为了一个重要的研究领域。
近年来，炭材料作为电化学储能材料备受研究者关注，尤其是新型炭材料的制备及其电化学性能的研究。
一、炭材料的特性炭作为一种广泛存在于自然界的纯碳材料，由于具有特殊的结构和化学性质，在许多领域都有着重要的应用。
由于其优异的导电性、高比表面积、优越的化学稳定性以及良好的机械强度，炭材料在电化学中应用广泛。
在电化学储能领域，炭材料常常被用作负极电极材料，以提高电池的储能密度和循环性能。
二、炭材料的分类炭材料主要可以分为天然炭和人工炭两大类。
天然炭包括生物质炭、木炭、煤炭等。
人工炭可以分为热解炭、活性炭、吸附炭、炭纤维等几类。
在电化学储能领域，由于其优异的导电性和大比表面积，人工炭通常是首选的材料。
三、新型炭材料的制备人工炭制备的方法种类繁多，包括自然炭化、热解、物化法、化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、水热合成等等。
其中，物化法是制备新型炭材料的常用方法。
例如，采用无机盐或高分子单体作为前体物，通过炭化、活化等步骤得到新型炭材料。
此外，还有一些新型制备方法和技术正在被研究，如超声波辅助炭化、微波辅助加热炭化等。
四、新型炭材料的电化学性能新型炭材料的电化学性能受其结构和化学组成的影响。
一般来说，提高炭材料的比表面积可以提高电容和储能密度，增强表面官能团的质量也可以提高电化学性能。
同时，新型炭材料的导电性、电解液的透过性、电化学稳定性等也是影响其电化学性能的因素。
最近，许多研究者已经将新型炭材料应用于锂离子电池、超级电容器等电化学储能设备。
通过实验结果表明，新型炭材料在电化学储能领域有着广泛的应用前景。
五、总结新型炭材料的制备及其电化学性能的研究是电化学储能领域的一个重要研究方向。
《超级电容器炭基电极材料制备及其电容性能研究》篇一摘要：本文旨在研究超级电容器炭基电极材料的制备工艺及其电容性能。
通过优化炭基材料的制备参数，制备出具有高比表面积、良好孔结构和优异电化学性能的炭基电极材料。
本文详细介绍了材料制备过程、表征方法以及电化学性能测试结果，为超级电容器的应用提供理论依据和实验支持。
一、引言超级电容器作为一种新型储能器件，因其高功率密度、长循环寿命和快速充放电特性而备受关注。
炭基电极材料作为超级电容器的关键组成部分，其性能直接决定了超级电容器的整体性能。
因此，研究炭基电极材料的制备工艺及其电容性能具有重要意义。
二、炭基电极材料制备1. 材料选择与预处理选择合适的炭前驱体，如活性炭、碳纳米管等，进行预处理，如清洗、干燥、破碎等，以获得均匀的炭前驱体颗粒。
2. 制备工艺采用化学气相沉积法、模板法、溶胶凝胶法等制备工艺，通过控制反应温度、时间、气氛等参数，制备出具有高比表面积和良好孔结构的炭基电极材料。
三、材料表征1. 物理表征利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对制备的炭基电极材料进行物理表征，观察其形貌、结构及元素组成。
2. 电化学表征通过比表面积测试、孔径分布分析等电化学表征手段，评价炭基电极材料的电化学性能。
四、电容性能研究1. 充放电测试在三电极或两电极体系下，对炭基电极材料进行充放电测试，记录其充放电曲线、循环效率等数据。
2. 循环稳定性测试对炭基电极材料进行长时间循环稳定性测试，观察其容量保持率及容量衰减情况。
3. 影响因素分析分析制备工艺参数、材料组成等因素对炭基电极材料电容性能的影响，优化制备工艺，提高电容性能。
五、实验结果与讨论1. 实验结果通过充放电测试、循环稳定性测试及电化学表征等手段，获得炭基电极材料的电化学性能数据。
2. 结果讨论结合实验数据及文献资料，分析炭基电极材料的电容性能与制备工艺参数、材料组成之间的关系。
褐煤基活性炭的制备及其电化学性能研究摘要：我国科技的发展推动着电化学储能器行业的持续进步，在当前时代背景下，超级电容器以超常的使用寿命、高功率密度以及环境友好等优点成为行业内研究重点，本文将从褐煤基活性炭的制备方式入手，对褐煤基活性炭的电化学性能进行详细分析，希望可以促进电化学储能器行业的健康持续发展。
关键词：褐煤；电化学性能；活性炭前言：我国经济水平的持续提升使得人们对化石能源的需求量也越来越高，而化石能源的过度使用导致我国环境污染严重，因此人们越来越重视清洁能源和高效储能设备的使用，在众多的高效储能设备中，超级电容器以其众多的优势被人们广泛应用，所以如何将褐煤基活性炭作为超级电容器的电极材料，需要人们对其制备方式和电化学性能进行详细分析。
1.超级电容器概述超级电容器又叫做电化学超级电容器，其英文全称为Supercapacitors。
超级电容器作为一种储能器件，与传统的电容器相比其能量密度更高，与二次电池相比其功率密度更大。
所以目前最为高效的能源存储装置就是超级电容器。
1.1超级电容器常见的电极材料在超级电容器的电极材料中往往可以分为以下三类：金属氧化物、碳基材料和导电聚合物。
其中碳基材料主要是以活性炭为基础，这是因为活性炭的价格低廉且导电性较好，所以在电容器的电极材料中被广泛应用，下文将对褐煤基活性炭的制备进行详细研究[1]。
2.褐煤基活性炭的制备2.1活性炭的制备在制备活性炭时需要将褐煤进行脱矿物质处理，再利用KOH作为活化剂开始制备活性炭，具体方式如下：第一，将原始褐煤利用ＨＣｌ－ＨＦ法对其进行脱矿物质处理，第二，工作人员需要将脱矿物质煤和KOH以1：3的比例或者1:4的比例进行充分搅拌，将两种物质充分混合后放入刚玉舟中，第三，再将其放到恒温区中等待下一步的处理。
第四，需要工作人员将搅拌后的材料放入管式炉中进行烘烤，需要保持炉内温度达到900℃持续时间为两小时，第五，在材料自然冷却至室温过后工作人员还需要使用２ｍｏｌ／Ｌ的稀盐酸中和材料中的活化剂，之后再将样品烘干之后密封保存。
碳基电极材料的制备及其电化学特性研究随着科技的不断进步，越来越多的电子产品成为人们日常生活中必不可少的一部分。
然而随着电子产品的不断普及，充电和电池续航成为了人们常常关注的问题。
碳基电极材料因其优异的电化学性质而被广泛应用于电池领域，其制备及其电化学特性研究可以为电池的性能提升提供有力的依据。
碳基电极材料的制备可以采用化学气相沉积法、溶液法、机械法及热处理法等多种方法。
其中化学气相沉积法是制备高纯度的碳纤维电极材料的基本方法，而溶液法则可用于制备各种形态的碳基电极材料，如多孔碳材料、石墨烯和碳纳米管等。
机械法则可用于制备各种形态的碳纳米材料，如碳纤维、合成金刚石和碳纳米管等。
通过各种方法制备的碳基电极材料具有不同的结构和特性。
例如，溶液法制备的碳纳米管具有高纯度和高导电性等特点，而机械法制备的碳纳米管则具有较高的力学强度和稳定性。
值得一提的是，溶液法制备的石墨烯电极材料具有极高的表面积和电导率，广泛应用于电池、柔性电子和生物传感器等领域。
此外，利用化学还原、物理还原等方式制备的多孔碳纤维电极材料具有高泡沫结构和孔隙度，具有高储能量和高循环稳定性等优点。
现今，碳基电极材料的电化学特性研究已成为电池制造行业及学术研究领域的热点，其电化学性能既与材料本身的性质有关，也与电解质和电池结构等参数有关。
一般来说，碳基电极材料的电化学性质包括电容特性、电荷储存、内阻等。
其电容特性是指电极材料分别处于充电和放电状态时储能的能力。
电荷储存则是指在电荷通过电解质时电极上储存电荷的能力，其大小直接影响电池的储能密度以及循环寿命。
内阻则是指在电极中电子和离子通过物理性质时阻力的大小。
因此，对于碳基电极材料的电化学特性研究可以通过测试电容特性、循环伏安法、电化学交流阻抗等方式。
通过这些测试方法不仅可以评估电极材料的能量密度、功率密度和循环寿命等性能，而且还可以为电池的结构设计提供有力依据。
除了这些方面的研究，关于碳基电极材料的未来发展也值得关注。
收稿日期:2004-10-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(20373016)作者简介:左晓希(1975-),女,河南信阳人,华南师范大学讲师,华南理工大学在职博士研究生.文章编号:1000-5463(2005)01-0077-05超级电容器用活性炭电极的制备及电化学性能研究左晓希1,2,李伟善1(1.华南师范大学化学系,广东广州510631;2.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510641)摘要:以石油焦为原料,采用KOH 活化法制备比表面积为2170m 2/g 的高比表面积活性炭,采用该材料作为电极材料,组装成超级电容器,并对它进行了恒电流充放电实验、循环伏安实验和交流阻抗等实验,结果表明,制备的活性炭作电极材料组装的电容器具有良好的电化学性能.关键词:超级电容器;活性炭;双电层电容;电化学性能中图分类号:O646.3 文献标识码:ARESEARCH ON ACTIVED CARBON MATERIALS FORELECTRIC D OUBLE -LAYER C APACIT ORZUO Xiao -xi 1,2,LI Wei -shan 1(1.Depart ment of Chemistry ,South China Normal Univers ity ,Guangz hou 510631,China ;2.Material Sience &Engineering Institute ,South China University of Technology ,Guangz hou 510641,China )A bstract :The activated carbon with high specific area of 2170m 2/g was prepared frompetr oleum c oke by KOH -activation ,which can be used as electrode materials for electric dou -ble -layer capacitor .Its good electrochemical performance was determined by means of DC charge /discharge ,cyclic voltammetry and AC impedance analysis .Key words :electrochemical capacitor ;actived carbon ;double -layer capacitance ;electro -chemical properties 采用电化学双电层原理(利用双电层的静电容量工作,即储存在电极/电解液界面的双电层能量)的超级电容器———双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor 也叫功率电容器(Po wer Capacitor ),是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能装置.集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身,具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电或快速充电长时间放电等特点[1].广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和 2005年2月Feb .2005 华南师范大学学报(自然科学版)JOUR NAL OF SOUTH CHINA NOR M AL UNIVER SITY (NATUR AL SCIENCE EDITIO N ) 2005年第1期 No .1,2005飞机的点火装置等,尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视[2].碳基电化学双电层电容器的性能在很大程度上取决于碳材料的性质,其中,电极材料的表面积、粒径分布、电导率、电化学稳定性等因素都能影响电容器的性能.目前研究认为能应用于电化学电容器的碳材料有活性碳粉末、纳米碳纤维、碳气溶胶等.本文以石油焦为原料,采用KOH 活化法制备了高比表面积活性炭并组装成超级电容器及对其进行了电化学性能研究.1 实验1.1 实验仪器及原料仪器:管式马弗炉(沈阳),KS 康氏震荡器(江苏),紫外可见756分光光度计(上海),蓝电电池测试系统(武汉),CHI66A 电化学工作站(上海).原料:石油焦(广州黄埔石化炼油厂产,各成分的质量分数为:S 2%、灰分0.8%、挥发分18%、固定炭含量79.2%),氢氧化钾(分析纯),亚甲基蓝(化学纯).1.2 高比表面积活性炭的制备[3]石油焦经烘箱干燥,待冷却后破碎并磨细,取180目筛下料作为制备高比表面积活性炭的原料.按一定比例(即碱炭比)称取研磨好的石油焦和KOH 放入研钵中,再次研磨使其充分混合.混合物置于活化炉中,在N 2气氛下,升温至800℃保温2h 后自然冷却至室温.取出产物,洗涤过滤后,置于真空干燥箱中,在100℃左右烘干8h 后于干燥器中备用.1.3 活性炭比表面积的测定由于活性炭对亚甲基蓝溶液有很大的吸附倾向,所以可采用仪器简单,操作方便的亚甲基兰溶液吸附法测定高比表面积活性炭的比表面积.其原理为光吸收定律,即E =log I 0/I =KCL ,式中E 为消光值,I 0为入射光强度,I 为透射光强度,K 为消光系数,C 为溶液浓度,L 为液层厚度.1.4 活性炭电极的制备及超级电容器的简易组装将活性炭粉末、导电剂石墨和粘结剂聚四氟乙烯乳液按照8∶1∶1的比例混合均匀,经磁力搅拌30min ,得到粘稠状浆液.将该浆液涂于泡沫镍上,压片,厚度为0.8mm .在60～80℃于真空干燥箱中烘干,将制好的电极片在KOH 溶液中浸泡24h ,采用有纤维质的隔膜,组装成模拟的电容器,电解液为6mol /L 的KOH 溶液.抽真空,排出体系中的氧气后待测.1.5 双电层模拟电容器的电化学性能的测试1.5.1 模拟电容器恒电流充放电实验 本实验采用蓝电电池测试系统,在不同条件下对超级电容器进行恒流充放电实验,通过充放电曲线可得知电容器的工作情况和电容值.超级电容器的电容可据下列公式计算:C EDL C =d Q /d V =I δt /ΔV =I /(ΔV /Δt )其中I 为放电电流缌ΔV 、Δt 分别为放电过程的电压差和时间差;此外,超级电容器单个活性炭电极的放电质量比电容量C p =2C EDLC /m [4],其中m 为单个电极的质量.1.5.2 模拟电容器循环伏安实验及交流阻抗曲线的测试 循环伏安法和交流阻抗方法是测试超级电容器电化学性能常用的实验方法.本实验通过循环伏安曲线来测定超级电容器的循78 华南师范大学学报(自然科学版)2005年 环寿命和可逆性,还通过交流阻抗实验来研究电容器在不同电位条件下的阻抗和频率响应特性,其中,频率扫描范围是0.001Hz ～5000kHz .2 结果与讨论2.1 碱炭比对材料比表面积的影响活性炭电极的电容器的电容主要来源于界面的双电层.在某种程度上来说,活性炭的比表面积越大,电容器的比容量越高.炭材料的比表面积受很多制备因素的影响.本文在原料粒度为180目、活化温度800℃、保温时间为2h 的条件下,考察了不同的碱炭比得到的活性炭的比表面积及其相应的比容量,结果见表1.表1 不同碱炭比制备的活性炭的比表面积原料的碱炭比1∶12∶13∶14∶15∶1A (比表面积)/(m 2·g -1)19822051217021682173C (电极比容量)/(F ·g -1)135146165164168在制备活性炭的过程中,碳与KOH 发生化学反应,使微晶间隙的碳化合物、无定形碳及活性点碳消失,生成具有微孔结构的大比表面积活性炭.KOH 的量增大,活化反应更剧烈,生成的微孔数目越多,活性炭的比表面积也就越大.但是,由于能生成的微孔数目是一定的,所以,当碱炭比增加到3∶1以后,炭材料的比表面积不再有大的变化.同时,从表中也可以看出,制得的活性炭材料的比表面积越大,相应电极的比容量越大,综合以上因素,我们选定原料的碱炭比均为3∶1.2.2 电极材料的电化学性能测试图1是在电流密度15mA /c m 2恒定电流下电容器的循环充放电曲线.从图中可以看出,充放电曲线呈现出对称性良好的锯齿状直线,说明在充放电过程中没有发生电化学反应,电容器中在电极/电解液界面形成了的很好的双电层,电极反应主要为双电层上的电荷转移反应.而且,放电曲线的电压降极小,这表明溶液的离子的导电性和电极/电解液的接触均良好[5].此外,通过此曲线的斜率,还可以得出在该电流下单电极的比容量为165F /g.图1 恒流电流下的充放电曲线图2 不同电流下的充放电曲线图3 电流与比容量的关系图 图2和图3是在不同电流密度条件下,测得得恒流放电曲线图以及相应的比容量关系图.可以看出,随着电流的增大,放电的速率也在加快.同时,从图3看出,虽然电流密度从5m A /c m 2增大到30m A /cm 2,但电容器的比容量仅仅下降了16F /g ,说明该电容器在大电流条件下工作,性能依然保持稳定,从而也验证了电容器具有高的比能量和比功率,能在短时间内放出很大的电量的特点.79 第1期左晓希等:超级电容器用活性炭电极的制备及电化学性能研究 图4 超级电容器的交流阻抗曲线图5 交流阻抗曲线的等效电路图 图4为在不同的开路电压条件下,电容器的交流阻抗图.图中数据显示,在不同开路电压下,高频区的法拉第阻抗均很小,这与电容器的工作原理相符,整个回路的阻抗可用如图5所示的等效电路图来表示.且在低频区域内几乎是一条平行于y轴的直线,即θ≈90°,也呈现出近似纯电容的效果;与0.1V 的开路电压阻抗图相比较,当开路电压V=0.8V ,电解液的电阻R 溶液有所增大,从电容器的工作原理来看,当开路电压增大到0.8V 时,电解液中会有更多的离子定向排列在两个电极的附近,形成了两个串联的电容器,使得溶液中导电离子数目减少,从而使电解液的电阻增大.理想活性炭基电容器的循环伏安曲线应呈现标准的对称矩形曲线,但在实际体系中,由于电极的极化内阻的存在,使得实际的曲线有一定的偏差[6].图6是分别在2、5和10mV /s 的扫描速率下的循环伏安曲线图.电容器的循环伏安曲线图形会受到时间常数τ(RC )的影响,τ是电容器性能的一个重要常数,它是表明体系能否在短时间内完成充放电的一个常数.τ接近于0时,当扫描速率增大时,电容器的循环伏安图形依然接近于理想的矩形曲线;当τ值较大时,随着扫描速率的增大,由于极化反应的发生,电容器的循环伏安图会偏离理想的矩形.从图6可以看出,本实验电容器当扫描速率从2m V /s 增大到10mV /s ,其CV 图依然保持较好的矩形,说明τ足够小,能够满足大电流充放电的特姓.此外,从图中可以看出循环伏安曲线重合性很好,说明每次循环容量的衰减量很少.图6 电容器在不同扫描速度下的循环伏安特性曲线3 结论在原料粒度、活化温度、保温时间一定的条件下、碱炭比等于3时,可制备出比表面积为2170m 2/g 的高比表面积活性炭.其比容量为165F /g .通过恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗等一系列实验的测定和分析,表明由该材料制备的超级电容器具有良好的电化学性能,适合大电流充放电.80 华南师范大学学报(自然科学版)2005年 参考文献:[1] 田艳红,付旭涛,吴伯荣.超级电容器用多孔碳材料的研究进展[J ].电源技术,2002,26(6):466-479.[2] SONGHUN Y ,JINWOO L ,TAE GHWAN H ,et al .Electric double -layer capacitor performance of a new meso -porous carbon [J ].Journal of the Electrochemical Society ,2000,147:507-2512.[3] 刘洪波,张红波.石油焦基高比表面积活性炭的制备[J ].炭素技术,1997(4):15-19.[4] SHINJI N ,H 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第34卷第2期煤 炭 学 报V o.l34 N o.2 2009年2月J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY F eb. 2009文章编号:0253-9993(2009)02-0252-05煤基活性炭电极材料的制备及电化学性能张传祥1,2,张 睿1,成 果1,谢应波1,詹 亮1,乔文明1,凌立成1(1 华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海 200237;2 河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作 454000)摘 要:以太西无烟煤为原料、KOH为活化剂制备高比表面积的活性炭.采用N2吸附法对活性炭的比表面积、孔容和孔径分布进行了表征,并评价了其用作超级电容器电极材料的电化学特性.在碱炭比为4 1,800 条件下活化1h制备的活性炭比表面积达3059m2/g,总孔容为1 66c m3/g,中孔率63%.该活性炭在3m ol/L KOH电解液中的比电容为322F/g,大电流密度下充放电时的比电容保持率高,漏电流仅有0 06mA,是理想的超级电容器电极材料.关键词:活性炭;超级电容器;比表面积;比电容中图分类号:TQ536 9 文献标识码:APreparation and electroche m ical properties of coal based activated carbonsZ HANG Chuan x iang1,2,Z HANG Ru i1,C HENG Guo1,X I E Y i n g bo1,ZHAN L iang1,Q I A O W en m ing1,LI N G L i cheng1(1 S t a t e K e y La boratory of Che m ic a lE ng ineeri ng,E ast China University of Sc i ence and Technol ogy,Shangha i 200237,Ch i na;2 School o f M ateri a l S cie nce and Engineeri ng,H e nan P olytec hn ic Un i versit y,Jiaozuo 454000,Ch i na)Abst ract:Anthracite fr o m Ta i x iCoa lM i n e w as activated by KOH to prepare h i g h perfor m ance activated carbons as electr odes for e lectric doub le layer capacitors(EDLCs).The effect of preparation para m eters on the properties o f acti v ated car bons w as i n vesti g ated and t h e ir EDLC properties w ere m easured i n3m ol/L KOH aqueous so lution. The surface area of t h e AC sa m ple prepared w ith KOH/coal ratio of4 1at800 for1h reaches3059m2/g,and its pore volum e is1 66c m3/g,i n w hich the m esoporosity is63%.The as prepared acti v ated carbons exh i b it lar ge capacitances(322F/g)and lo w leakage current(0 06mA).K ey w ords:activated car bon;super capac itor;spec ific surface area;specific capac itance电化学电容器(EDLC)又称超级电容器(super capac itor),是介于充电电池和电容器之间的一种新型的储能器件,具有功率密度大、循环寿命长、可快速充放电,安全和无污染等特点,是一种高效、实用和环境友好的能量储存装置[1-2].在便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源、应急后备电源等许多领域都有广阔的应用前景及独特的应用优势[3-7].高比表面积活性炭因具有比表面积大、化学稳定性高以及导电性好等优点,一直是制造双电层电容器电极的首选材料.从容量、功率密度、阻抗等方面考虑,作为理想的电极材料,不仅要有高的比表面积,而且要有合理的孔径分布[4].煤作为高比表面积活性炭的前驱体具有以下优点[8-13]:首先,在煤中碳是主要元素,无烟煤的碳含量可达到90%;其次,煤收稿日期:2008-02-24 责任编辑:柳玉柏基金项目:国家自然科学基金资助项目(50672025);国家自然科学基金重点项目(50730003);上海市 登山行动计划 基础研究重点项目(06J C14018)作者简介:张传祥(1970 ),男,河南台前人,副教授,博士研究生 E-m ai:l zcx223@163 co m;联系人:张睿,男,山西静乐人,副教授.Te:l021-********,E-m ai:l z hangru i davi d@ecust edu c n第2期张传祥等:煤基活性炭电极材料的制备及电化学性能中芳香成分占有较大比例,这些芳香结构或芳香分子在适当的条件下对活性炭的合成是有利的;另外,煤炭资源丰富,价格低廉.本研究以太西无烟煤为前驱体,KOH为活化剂,制备出富含中孔的高比表面积活性炭,考察了碱炭比对活性炭的孔径结构及电化学性能的影响.1 实 验1 1 活性炭的制备活性炭原料为太西产无烟煤,其工业及元素分析见表1.将无烟煤与活化剂按一定的比例(KOH 煤= 1~5 1,质量比)混合,加少量去离子水搅拌均匀,室温浸渍一定时间后放置于镍制反应釜中,在高纯N2气氛保护下,以5 /m i n的升温速率至800 活化1h,自然冷却,收集活化料用5mo l/L的盐酸浸泡24h,然后去离子水洗至中性,150 下干燥2h后备用.所制得的活性炭依据碱炭比的不同(1~5)分别标记为AC n(n=1~5).表1 原料煤的工业及元素分析T ab l e1 U lti m ate and approxi m ate anal ysis of coal sa m p l e%样 品工业分析M A V FC元素分析w(C daf)w(H daf)w(O da f)w(N da f)w(S da f)太西煤1 552 326 7889 3594 683 650 820 780 151 2 活性炭的表征采用N2吸附法(M icro m etr i c s ASAP2020型吸附仪)表征活性炭比表面积及孔结构,由所得的吸附等温线利用B runauer-E m ett-Te ller(BET)法计算活性炭的总比表面积,总孔容以相对压力p/p0=0 97时的吸附量计算,中孔孔容用B J H法计算,总孔容减去中孔孔容得微孔孔容,用DFT模型得到孔径分布.1 3 活性炭电极的制备及模拟电容器的组装按85 10 5的质量比称取活性炭、导电炭黑和60%的聚四氟乙烯(PTFE)乳液(黏合剂),混合均匀,压制成圆片状电极.以聚丙烯(PP)为隔膜,组装成硬币型双电层电容器.1 4 电化学性能测试用美国A rbin公司生产的高精度电池测试系统对电容器进行恒电流充放电、循环伏安测试.充放电压范围0 90~0 05V,电流40~2000mA/g,循环充放电次数为100次以上.模拟电容器比电容计算式为C=2I t/m V,(1)式中,I为放电电流,A;m为单电极中活性炭的质量,g; V为放电时 t时间间隔内电压的变化; t/ V由恒流放电曲线斜率的倒数求得.2 结果与讨论2 1 碱炭比对活性炭的比表面积及孔径分布的影响活性炭的N2吸附等温线如图1(a)所示.按照国际纯粹化学与应用化学联合会(I U PAC)的分类,属于 型吸附等温线.随着碱炭比的增加,活性炭的吸附量变化显著.AC1~2的吸附等温线在p/p0<0 2的相对压力下即趋于饱和,而且平台区非常平坦,具有典型的微孔特征.图1(b)是活性炭的DFT孔径分布曲线,其结果与等温线的分析一致,AC1是典型的微孔材料,其孔径分布在0 5~2 0nm之间.碱炭比增大到2以后,AC孔径分布逐渐扩大到5nm,中孔的峰值也随碱炭比的增大而增大.不同碱炭比制备的AC的比表面积、孔容、孔径分布等参数见表2.随着碱炭比从1增加到5,活性炭的比表面积S BET、孔容(V t)、中孔率分别由1048 51m2/g, 0 56c m3/g,7 14%,增大到3581 15m2/g,2 00c m3/g,91 00%.因此,以太西无烟煤为原料,选择253煤 炭 学 报2009年第34卷适宜的工艺参数可以制备出兼具高比表面积和发达中孔的活性炭.图1 活性炭的N 2吸附等温线及孔径分布F i g 1 A dso rpti on deso rption isother m s and po re d i str i bution o f AC表2 活性炭的孔径结构参数Tab le 2 Porosity para m eters of the ac ti vated carbon s样 品碱炭比S BET /(m 2 g -1)V t /(c m 3 g -1)V m ic /(c m 3 g -1)V me s /(c m 3 g -1)V m e s V t /%AC111048 510 560 520 047 14AC221859 751 010 870 1413 86AC332635 671 470 900 5738 78AC443059 331 660 601 0663 86AC553581 152 000 181 8291 00由上述测试结果可知,活化剂的用量对活性炭的比表面积和孔结构有着非常显著的影响,KOH 的活化机理一般认为是在高温下KOH 和C 之间发生了如下反应[11]:6KOH +2C 2K +3H 2+2K 2CO 3.KOH 在400 时脱水为K 2O,在更高的温度下K 2O 与C 反应生成K 2C O 3,从而消耗C 形成孔,同时产物K 2C O 3也具有良好活化能力.随着温度的升高,K 2O 被还原为金属钾蒸汽,金属钾蒸汽具有强渗透能力和插层作用,使原料煤进一步活化.活化过程中,活化剂首先会选择原料煤中非碳原子(灰分)和一些活性较强的无序碳进行反应,形成初步的微孔结构.当碱炭比增大到3以上时,除了生成新的微孔以外,过量的KOH 还可通过刻蚀已形成的微孔壁上的碳原子而起到扩孔作用.因而孔径分布逐渐变宽,孔容增大.图2 碱炭比与比电容及比表面积的关系F i g 2 T he relati onsh i p bet w een KOH:coal ra tion and spec ifi c surface area /spec ifi c capac itance o fA C 2 2 比表面积及孔径结构对活性炭电极材料比电容的影响由图2可以看出,随着碱炭比的增加,比表面积线性增大.但比电容与比表面积却并未呈现线性的关系.当比表面积由1048 51m 2/g 增大到1859 75m 2/g 时,比电容迅速增加,由230F /g 增加到315F /g .当比表面积继续增大时,比电容变化不大,当碱炭比为4时,比电容达到最大值,随后下降.除比表面积外,孔径分布和表面官能团是影响炭电极材料比电容的2个重要因素,过小的平均孔径会起到 离子筛 效应(i o n sieving effect)阻碍离子的通过,从而使比电容降低.当碱炭比大于2以后,尽管活性炭的比表面积、孔容增254第2期张传祥等:煤基活性炭电极材料的制备及电化学性能大,中孔率提高,但比电容变化很小,说明当比表面积达到一定的阈值后,炭电极材料通过增加中孔率提高比电容的效果并不明显,炭材料电极的电容存在极限值.比表面积越高,孔壁越薄,而当壁厚接近电场的屏蔽距离时,存在电子重叠效应而使孔基材料不能继续存储电荷[14].因此,KOH 活化的煤基活性炭作电容器电极材料时,1800m 2/g 左右的比表面积、15%的中孔率即可达到较大比电容,从制备工艺的角度看,采用低的碱炭比也可制备出满足电极材料要求的活性炭.2 3 模拟EDLC 的电化学性能2 3 1 恒流充放电及循环伏安曲线EDLC 在40,200,4000,2000mA /g 电流密度下的恒流放电曲线如图3(a)所示.可以看出,放电曲线均为直线,表明电容器的容量由双电层提供.在电流密度<400mA /g 时,电容保持率在90%以上,在电流密度为2000mA /g 时,电容保持率仍然可达到82%,说明煤基活性炭电极材料既能在小电流下长时间慢速充放电,也可以在大电流下短时间快速充放电,制备的电容器电极材料可以满足不同功率密度的要求.图3 模拟电容器的电化学特性F i g 3 E lectroche m ical pe rf o r m ance of EDLC箭头所示为电流密度、扫描速率增大方向在扫描速率分别为1,5,10,30mV /s 的条件下进行循环伏安扫描测试,所得的循环伏安曲线如图3(b)所示.在不同的扫描速率下,活性炭电极材料循环伏安曲线具有理想的矩形电势窗口,没有出现氧化还原峰,表明活性炭电极的充放电可逆性好,电容器的容量由双电层提供.2 3 2 充放电效率及漏电流测试图4(a)为模拟电容器充放电效率随循环次数变化的曲线,除首次较低外,充放电效率保持在99%以上.首次充放电效率低的原因在于:活性炭电极材料具有极大的表面积,在其孔壁的表面有大量的活性官能团,这些化学活性官能团会对电极材料的吸附性能和电化学特性产生重要的影响[15].产生漏电流的原因比较复杂,其中主要是电解液的分解、电解液与活性炭的表面官能团发生反应等共同作用的结果[16].模拟电容器的漏电流曲线如图4(b)所示,恒压2h 后的漏电流仅有0 06mA 左右,说该电极材料在图4 充放电效率及漏电流曲线F i g 4 Charge d i scharge effic i ency and leakag e currents of EDLC 255煤 炭 学 报2009年第34卷2563m ol/L KOH电解液中有足够的稳定性.3 结 论以太西无烟煤为前驱体,KOH为活化剂制备出比表面积高达3059m2/g富含中孔的活性炭.该活性炭在3m o l/L KOH电解液中具有高的比电容(322F/g)、优异的循环性能及低的漏电流(0 06mA).碱炭比对所制活性炭的比表面积、孔容、孔径分布有显著的影响.比电容不随碱炭比及比表面积的增大而线性增大,当碱炭比大于2以后,尽管活性炭的比表面积、孔容、孔径分布均有较大变化,但比电容变化很小,炭材料电极的电容存在极限值.KOH活化的煤基活性炭作电容器电极材料时,采用低的碱炭比也可制备出满足电极材料要求的高比电容活性炭.参考文献:[1] Con w ay B E.E lectroche m ica l super capacitors scien tific fundamenta ls and techno l og ical appli cations[M].N ew Y ork:K lu w erA cade m ic/P l enum Pub lishers,1999:1-2.[2] 戴贵平,刘 敏,王茂章,等.电化学电容器中炭电极的研究及开发[J].新型炭材料,2002,17(1):71-79.D a iG u i ping,L i u M in,W ang M aozhang,e t a.l R esearch and develop m ent o f carbon m a terials for elech tro che m i ca l capacitors[J].N ew Carbon M a teria l s,2002,17(1):71-79.[3] 王茂章.多孔炭材料在电化学电容器中的应用[J].新型炭材料,1995,10(1):125.W ang M aozhang.Po rous carbon m ater i a ls used i n e l ectric double laye r capac itors[J].N e w C arbon M ate rials,1995,10(1):125.[4] N i sh i no A.A c tivated carbon fibe rs used i n doub l e layer capacito rs[J].T ao so,1988,132(1):57-72.[5] M or i m o te T.Electrochem ica l double l ayer capac itors usi ng org an i c e lectro lyte[J].T 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