NaOH活化法制备石油焦基电化学电容器炭电极材料

摘要

炭材料由于具有成本低廉、性能稳定、原料来源广泛等优点，是目前最常用的电化学电容器(EC)电极材料。本课题主要研究以NaOH作为活化剂，制备石油焦基电化学电容器炭电极材料的最佳工艺。通过SEM、XRD、氮气吸附表征所得材料的结构，通过恒电流密度充放电、循环伏安和交流阻抗测试表征所得材料的电化学性能。 采用直接活化法制得石油焦基EC多孔炭电极材料。考察了活化温度和活化时间对材料的结构及电化学性能的影响。所得多孔炭电极材料具有层状有序结构，活化温度为700℃时孔隙率最高，800℃活化所得电极材料电容特性最好。活化温度为800℃时，随着活化时间从1h延长到3 h，所得材料的比表面积降低，总孔容减小，平均孔径增大。在800℃活化3h制得材料具有良好的电容特性和充放电循环性能，充放电电流密度为50mA·g-1时，比电容为110F·g-1；充放电电流密度为2A·g-1时，比电容为79F·g-1；在100mA·g-1充放电电流密度下进行充放电循环性能测试，在150～1000次充放电循环，比电容衰减仅为4.7％； 采用炭化-活化法制备石油焦基EC纳米门炭电极材料。考察炭化温度和炭化时间对材料的结构及电化学性能的影响。炭化温度为800℃和900℃时，所得材料具有纳米门的结构，在首次充电过程中存在明显的“电活化”过程。在800℃炭化时，炭化时间从1h延长到3h，所得材料的d002值从0.380nm降低到0.363nm，孔结构无明显变化趋势，首次充放电时间逐渐延长，所得材料都具有良好的电容特性。当电流密度低于200mA·g-1时，比电容随炭化时间的延长而升高；当电流密度高于1500mA·g-1时，比容量随炭化时间的延长而降低。在最初几个充放电循环，所得纳米门炭比电容存在明显的衰减：在100次到500次充放电电循环，CPC810和CPC830比电容的衰减分别为3.2％和13.7％。 对在实验条件下制得的石油焦基多孔炭电极材料和纳米门炭电极材料的电化学特性进行比较，所得多孔炭电极材料比电容高于纳米门炭材料，大电流充放电时比电容衰减率低，功率特性和循环性能更好，纳米门炭材料的制备工艺有待于进一步优化。

目录

文摘

英文文摘

声明

前 言

第一章文献综述

1.1电化学电容器的发展历史与现状

1.2电化学电容器的特点

1.3双电层电容器工作原理

1.4炭电极材料的研究现状

1.4.1多孔炭材料

1.4.2纳米门炭电极

1.5石油焦基多孔炭的制备

1.5.1物理活化法

1.5.2化学活化法

1.6电化学电容器电解液体系

1.6.1水溶液体系

1.6.2有机电解液体系

1.7本研究的选题思想和研究内容

第二章实验

2.1主要原料、试剂、仪器及设备

2.1.1原料

2.1.2化学试剂

2.1.3主要仪器及设备

2.2炭材料的制备

2.2.1炭化

2.2.2化学活化

2.3炭电极材料的处理

2.4电极制备和模拟电容器装配

2.4.1电极片的制备

2.4.2实验电容器的装配

2.5分析与测试

2.5.1热重分析

2.5.2 X-射线衍射(XRD)分析

2.5.3扫描电子显微镜(SEM)观察

2.5.4比表面积和孔结构分析

2.5.5恒电流密度充放电测定

2.5.6循环伏安测定

2.5.7交流阻抗测试

第三章直接活化法制备石油焦基多孔炭电极材料

3.1石油焦前驱体的性质

3.2活化温度对多孔炭电化学性能的影响

3.2.1不同活化温度制备多孔炭及其结构表征

3.2.2不同活化温度制得多孔炭的电化学性能测试

3.3活化时间对多孔炭电化学性能的影响

3.3.1不同活化时间制备多孔炭及其结构表征

3.3.2不同活化时间制得多孔炭的电化学性能测试

3.4小结

第四章炭化-活化法制备石油焦基纳米门炭电极材料

4.1炭温度对炭材料电化学性能的影响

4.1.1不同活化温度制备炭材料及其结构表征

4.1.2不同炭化温度制得炭材料的电化学性能测试

4.2炭化时间对纳米门炭材料电化学性能的影响

4.2.1不同炭化时间制备纳米门炭及其结构表征

4.2.2不同炭化时间制得纳米门炭的电化学性能测试

4.3小结

第五章两种活化法制得电极材料的性能比较

5.1比电容

5.2功率特性

5.3循环性

5.4小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢