有序介孔炭基超级电容器电极材料的制备及性能研究

【摘要】：超级电容器由于能量密度高、功率密度高和循环寿命长等特点,成为电化学储能领域研究的热点。电极材料作为电容器的重要组成部分,其结构和组成直接决定电容器的性能。有序介孔炭因其规则的孔道结构、均一的孔径分布和高比表面积,成为理想的超级电容器电极材料。本文旨在实现煤液化残渣的高附加值利用,开发煤液化残渣基沥青质有序介孔炭电极材料,通过对碳源、模板、合成工艺以及修饰手段的调控,研究有序介孔炭及其复合材料孔壁织构、孔道结构、表面组成等物理化学性质与其电化学性能的关联。主要研究内容和成果如下： 分别以煤直接液化残渣中的沥青烯和预沥青烯为原料,SBA-15,SBA-16和KIT-6为模板,通过硬模板法制备具有规则结构的介孔炭材料。沥青质炭材料作为电容器电极材料表现出理想的双电层行为、良好的倍率特性和优异的循环性能,充放电15万次,质量比电容保持率达100%。碳源和电极材料的孔结构直接影响电荷的存储能力和传输速率,具有三维双连续孔道结构的预沥青烯基介孔炭表现出相对较高的电荷存储能力,面积比电容约14.5μF?cm-2；电荷在长程有序的二维六方规则孔道内的传输速率最快,时间常数仅为1.5s。此外,热处理有利于提高材料的导电性,降低等效串联电阻。 调控沥青烯基有序介孔炭(OMC-A)在硝酸环境中的氧化程度,在炭材料表面引入丰富的含氧官能团有效改善了炭材料单位面积存储电荷的能力,面积比电容从12.1μLF?cm-2增加至23.O μF?cm-2。在不影响炭材料孔结构的情况下,比电容的提升程度受官能团种类、浓度和扫描速率等因素共同作用的影响,适量含氧官能团的引入既能在保持良好倍率特性的同时提高质量比电容,又能改善电容器大电流条件下的功率特性,适用于高功率电化学电容器。 采用NiO修饰OMC-A,通过组装NiO-OMC-A||OMC-A非对称电容器,从提高电极材料比电容和扩展电容器工作电压两方面改善电容器的能量密度和功率密度。当NiO载量为10wt.%时,电极材料的面积比电容可达18.1μF?cm-2,且保持良好的倍率特性和电化学阻抗行为。以NiO-OMC-A和OMC-A组装非对称电容器,当二者质量比为1：1时,电容器的工作电压从1.0V扩展至1.4V,在10mV.s-1的扫描速率下,能量密度从2.4Wh?kg-1增加至7.4Wh?kg-1,功率密度从88W.kg-1增加至189W.kg-1。 以A阶酚醛树脂为碳源,尿素为氮源,F127为软模板,通过原位液相自组装制备含氮酚醛树脂基有序介孔炭,简化了含氮有序介孔炭的制备工艺。氮原子的引入有利于提高电极材料的导电性和单位面积存储电荷的能力,降低电极的等效串联电阻。