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超级电容器作为一种介于电池与普通电容器的新型储能器件,近年来备受科研人员的重视,炭气凝胶是用于制备超级电容器的理想电极材料之一。电极制备工艺是影响超级电容器电性能的重要因素,本文对优化和完善炭气凝胶电极制备工艺进行了深入的研究,确定了辊压成型工艺以及最佳的工艺参数。并选用KOH活化的方法调节炭气凝胶孔结构,改善表面浸润性,通过氮气吸附-脱附、X射线衍射等测试手段分析其孔结构。通过循环伏安、恒流充放电及电化学阻抗等方法测试其电极电性能,初步探讨了材料结构与电化学性能之间的关系。
辊压成型制备方法大大改善了极片的均匀性,良好控制了炭材料的用量,选用乙醇为溶剂达到了粘结剂良好的分散性和粘结性能。并在本实验范围内确定了最佳的工艺参数:极片厚度:0.7mm;平压压力:2MPa;粘结剂PTFE含量:6%;组装电容器隔膜:CN-2052(3);电极片烘干时间:1h;电极片浸渍方法:30wt%KOH溶液,真空浸渍。制得的电极片重复性好,400个循环后的比电容变化率仅为2%。
KOH对炭气凝胶的活化主要是刻蚀作用,活化能增加材料的微孔含量,改善电极表面的浸润性,增加电容量。K以钾盐的形式残留在微孔中,可以不经水洗处理直接制作为电极使用。
有机气凝胶直接浸泡KOH进行活化,强碱会使部分酚醛交联键断裂,降低了体系的交联度,炭化活化时,容易形成对双电层无用的“死孔”。半炭化气凝胶浸泡KOH活化,增强了基体骨架强度,得到双峰分布的孔结构,增大了双电层可利用的活性表面积,其中选用R/C为1000的有机气凝胶500℃半炭化1小时,KOH浸渍系数为3.0的活化样品制得电极,比表面积为523m2/g,而比容量达到193.7F/g,功率密度7.5kW/kg,能量密度6.7Wh/kg。
实验证明微孔对比容量的贡献大于中孔,电荷更多的是储存在微孔中,而中孔主要作为电荷传输的渠道。孔径小于0.7nm的微孔较难被电解液浸润,对双电层无贡献。理想电极材料最好应具有双峰分布的孔结构,较大的中孔使得电解液离子更容易进出内部微孔,丰富的大微孔作为电荷储存的场所。