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本文采用多种处理方法(如高温热处理、低温等离子体处理及表面镀金属处理)对双电层电容器多孔炭电极材料进行改性处理,考察了不同改性处理方法对炭材料的结构(包括石墨微晶结构、孔结构、表面化学结构和界面结构等)以及其用作双电层电容器电极时的电化学性能的影响。根据本文的研究得出以下结论:
多孔炭经1200℃高温处理后,比表面积下降,中孔率提高,石墨微晶结构更加规整。在KOH电解液体系中,微孔炭经热处理后比电容有所降低,而中孔炭/纤维比电容大幅提高。尽管随电流密度的增加,各种样品的比电容都有所下降,但是经高温热处理后中孔炭/纤维比电容的损失程度有所降低;相对于微孔炭来说,中孔炭/纤维经高温处理后,其电子在电极中的传递阻力和电解液离子在电极中的扩散阻力,均得到更加明显的改善。高温处理后的样品中孔率增大,减小了电解液离子在孔内的扩散阻力;而规整的石墨化微晶结构使样品的导电性能得到显著增加,降低了电子在多孔炭骨架及颗粒间的传递阻力。
经氢气低温等离子体处理后各样品表面含氧官能团总量降低;其中羧基含量下降,羰基含量增加。而活性炭织物表面羧基被还原,产生了大量C-O单键。在KOH电解液体系中,处理后的样品比电容提高,但放电时电压降增大。处理后表面含氧官能团的减少引起电子束缚、表面浸润性下降,导致电子传递阻力和离子扩散阻力提高。在PC有机电解液体系,低温等离子体处理同样增大了比电容,但比电容随着电流密度的增加有较大衰减。处理后两样品的离子扩散阻力均有所增大;活性炭纤维表面羰基的增多导致电子传递阻力显著降低;而活性炭织物表面处理后大量还原态的氧(C-O单键)不利于电子在材料内的传递。
不同种类镀层处理后的活性炭布表面都覆盖一层均匀的纳米级金属颗粒,但不同金属与基体间的结合情况差别很大。镍镀层与炭基体间的结合性最好,经镀镍处理的样品具有最高的表面电导率。在KOH电解液体系中,镀镍电极的电子传递电阻最小,镀铝电极的电子传递阻力最大。活性炭布经镀镍处理后在不同放电电流密度下均具有较高的比电容和较小的电子传递电阻,从而具有较高的能量密度和功率密度。在PC有机电解液体系,镀层对电子传递电阻没有明显影响,但导致界面处孔内离子扩散电阻的提高。金属镀层处理后各活性炭布电极在不同电解液中表现出不同的电化学性能,主要是由金属镀层与炭布基体间结合性的差异以及电解液分子尺寸大小不同所引起的。