无烟煤基高比表面积活性炭的制备及其在双电层电容器中的应用研究

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本文以超低灰无烟煤为原料,采用KOH化学活化法制备高比表面积活性炭(High Surface Area Activated Carbon,简称HSAAC),系统考察了碱炭比,活化温度和活化时间等工艺因素对HSAAC的收率、吸附性能、孔结构和电容特性的影响,确立了调控HSAAC结构和性能的工艺方法和工艺条件。在利用扫描电镜观察无烟煤基HSAAC的表面形貌,利用X射线衍射分析无烟煤基HSAAC中石墨微晶的晶体结构,并通过BET低温氮气吸附法测定无烟煤基HSAAC比表面积和孔结构的基础上,探讨了HSAAC的比电容与其比表面积和孔结构之间的关系。同时将所制得的无烟煤基HSAAC作为双电层电容器(Electric Double-layer Capacitor,简称EDLC)的电极材料,通过适当的工艺制成HSAAC电极,以30%的H2SO4水溶液、30%的KOH水溶液和lmol/L的LiPF6有机溶液作电解质溶液,组装成三种不同的EDLC,探讨了EDLC的充放电性能及其与无烟煤基HSAAC电极材料的比表面积和孔结构的关系。 研究表明,KOH活化剂的用量、活化温度及活化时间是影响活性炭结构和性能的主要工艺因素。随着碱炭比的增加,活化温度的升高,活化时间的延长,所得活性炭的收率减少,碘吸附值则呈先增大后减小的变化规律,在碱炭比为5,活化温度为750℃,活化时间为1.5h时,活性炭对碘的吸附出现峰值。活性炭的孔径分布、比表面积和孔容对其碘吸附值有较大的影响。 以KOH作活化剂制备的无烟煤基HSAAC,其孔径分布以直径小于2nm的微孔为主。增加活化剂的用量,提高活化温度,适当延长活化时间,可以增加无烟煤基HSAAC中孔径大于2nm的中孔的比例。 随着比表面积的增大,无烟煤基HSAAC的比电容逐渐增大,但比电容的增加与其比表面积的增大并不呈简单的直线关系。活性炭中微孔所占比例过大、电解质溶液难以浸润孔径较小的微孔表面是造成其比电容偏离线性关系的主要原因。 在30%的H2SO4水溶液、30%的KOH水溶液和1mol/L的LiPF6有机电解液LB-315中,用作EDLC电极材料的无烟煤基HSAAC都具有良好的充放电性能和循环性能,既可以小电流长时间放电,也可以大电流短时间放电,但在大电流下放电时,电容量有所下降。活性炭中微孔所占的比例过大、电解质溶液中的溶剂化离子在这些微孔中的迁移率较小是造成其大电流下放电容量降低的主要原因。 g g无烟煤基HSAAC在有机电解液中的质量比电容明显小于其在水系电解液中的质 。量比电容。这一现象的产生与有机电解质溶液中溶剂化离子的直径较大、电导率 ;较低有关。.由正交试验结果确立的制备无烟煤基HSAAC的最佳工艺条件为:碱炭比为 4,活化温度为750C,活化时间为1.sh。 对无烟煤基HSAAC进行酸处理,可以提高其充放电循环稳定性,但比电容 略有下降。
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