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炭基电极材料制备及其孔结构对电容器性能的影响

王艳素  
【摘要】: 电化学电容器可能成为继锂离子电池之后的又一新型储能元件,在国民经济领域极具发展前景。一般的多孔炭材料虽具有较高比表面积和较高的理论比容量,但由于孔径较小,限制了电解质离子在其孔隙内的自由扩散运动,随工作功率增大,比容量衰减很快,电容器的比能量--比功率性能差。高功率应用(如电动汽车)的双电层电容器对炭材料的孔结构有更高的要求,以保证电容器的比能量--比功率性能,本文基于上述思想,通过制备不同孔结构的活性炭作为电容器电极材料,测试其电化学性能,旨在考察活性炭材料的孔结构与电解质离子的匹配性,以期获得制备高功率特性电容器电极材料的新方法。 首先以高比表面积专业商品活性炭为电极材料,在四种有机电解液中考察电容器的电化学性能,通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试综合分析,证明在本实验条件下,电容器的比能量--比功率性能最佳,并且在实用化应用方面理想的电解质溶液为1M LiClO4/PC。 然后以制备的不同孔结构的石油焦基活性炭为电极材料,以1M Et4NBF4/PC为电解液,通过具体分析电极材料的孔结构特征以及测试电化学性能,联合交流阻抗测试中的响应时间,定性地确定1M Et4NBF4/PC电解质离子所需的合适的孔结构特征为1-3nm。 继而以低软化点各向同性沥青为炭材料前驱体,以乙酸镁和柠檬酸镁热解得到的电化学性能稳定的MgO为模板,通过一步炭化法成功制备出两系列高收率、高比表面积、高中孔率和可控孔结构的炭材料,其区别在于炭材料的平均孔径不同。通过考察在30wt%KOH为电解液时的电化学性能,发现两系列炭材料均具有理想的比电容量,即在25A/g的电流密度下仍能得到220F/g的比电容量;较好的功率特性,即在25A/g时容量保持率仍能达到90%以上,以及理想的保压性能,即漏电流均低于0.05mA,静置24h后仍能保持0.5V以上的电压。相比较而言,以乙酸镁为模板剂前驱体制备的炭材料体系孔径稍大,具有更理想的倍率特性和功率特性,但如果追求小电流密度放电时的高比电容量,以柠檬酸镁为模板剂前驱体制备的炭材料体系是理想的电极材料。


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