论文部分内容阅读
新能源发电系统运行的波动性、电动交通工具的快速启停及其运行过程的节能要求均对高功率密度储能提出迫切需求。超级电容通过离子电化学吸附储能,是一种理想的高功率密度储能系统。碳基材料具有来源广泛、结构易于调控等优点,是超级电容储能材料的重要选择。超级电容要求碳基材料具有高活性及稳定性,发展高比表面积、良好微晶结构的多孔碳是提高超级电容性能的关键。煤炭储量丰富、价格低廉,是由芳香结构、脂肪结构桥接组成的复杂碳基大分子,碳含量高,是理想的碳基材料前驱体。开发煤炭向高活性及稳定性的多孔碳转化方法在煤炭利用和超级电容储能领域具有重要意义。本文以此为目标依据典型煤种的特性研究了煤基多孔碳的制备方法及其超级电容储能特性。本文首先以高活性的准东煤为碳质前驱体,采用物理化学耦合活化的方法制备了多孔碳,采取SEM、TEM、N2吸附、XRD、拉曼光谱等手段分析了多孔碳的理化结构,重点探究了灰分对孔隙发展的影响,评价了超级电容储能特性。结果表明,物理化学耦合活化的方法可获得比表面积2308 m2 g-1、孔容1.51cm3g-1的高比表面积分级多孔碳。与去灰煤相比,含灰原煤更利于孔隙结构发展。富含碱金属和碱土金属的灰分具有催化气化作用,促进了孔隙的发展。多孔碳在超级电容储能中表现出高比电容和良好的倍率性能,在KOH为电解质的水系三电极体中,1A g-1下的比电容达308F g-1,100A g-1下比电容仍达202 F g-1。为进一步增强活化效果,本文采用KOH活化的方法制备了高比表面积多孔碳,探究了碳基前驱体煤化程度及活化温度对孔隙和微晶发展的影响。经KOH活化制备的多孔碳比表面积均在3000 m2 g-1以上,随着煤化程度加深,产率由13.6%提高到41.7%。活化温度提高到1000℃时,无烟煤比表面积可达3214m2 g-1,振实密度符合超级电容国标要求。随着温度的升高,石墨微晶逐渐长大,导电率可达商业活性炭的8倍以上。在有机电解质体系对称超级电容中,1A g-1时下的比电容达170.8F g-1,30A g-1下比电容仍可达149.3F g-1。为进一步优化KOH活化制备多孔碳的微晶结构,本文以准东煤为碳质前驱体,探究了碳化预处理、外加催化介质两种方法对孔隙结构和微晶结构的影响。预碳化可促进微晶结构的长大和有序化,多孔碳呈现出一定的晶态,原始氢含量较高的碳基前驱体微晶质量更好。KOH活化过程外加催化介质可促进石墨微晶的发展,且KOH是在900℃活化条件下实现微晶发展的关键。相比于直接KOH活化,微晶得到进一步发展的多孔碳的导电率可提高1倍。