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活性炭作为超级电容器理想的电极材料引起研究工作者的广泛关注,如何制备高比表面积、孔径结构分布合理的廉价活性炭电极材料对超级电容器应用发展有着十分重要的意义。
本文系统研究了以神府煤(SFC)和线型酚醛树脂(PF)为原料,采用C02物理活化法制备高性能超级电容器用活性炭的工艺条件。重点研究了SFC/PF共混物的混合方法以及PF在SFC/PF共混物中的含量对活性炭的孔结构与性能的影响。
在SFC与PF热重分析的基础上研究了炭化工艺条件、活化工艺条件对活性炭结构和性能的影响。通过测定收率、碘吸附值、亚甲基蓝吸附值以及低温N2吸附表征炭化、活化工艺条件对SFC基活性炭的结构和性能的影响,以6mol/L的NaOH为电解液,采用循环伏安法研究了活性炭电极的循环伏安特性。结果表明:在炭化终温为600℃、炭化升温速率为 10℃/min、炭化时间为60min,活化温度为850℃、CO<,2>流量为400mL/min、活化时间为120min的工艺条件下得到SFC基活性炭的碘值、亚甲基蓝值、比表面积分别为980mg/g、97.6mg/g和981m<2>/g,比电容为23F/g。
通过碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、体积电阻率、红外光谱分析、X射线衍射分析以及循环伏安法系统研究SFC/PF共混物的混合方法以及PF在SFC/PF共混物中的含量对活性炭的结构与性能的影响。实验结果表明:SFC与PF混合后可提高活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和比表面积,并增加活性炭表面O-H官能团,同时也降低活性炭的体积电阻率。利用SFC与PF球磨后前驱体制备活性炭的比电容,在PF∶Coal(w/w)为4∶20时活性炭比电容达到28.3F/g;利用浸渍方法混合SFC与PF,在PF乙醇溶液的浓度达到5%时,得到共混物制备活性炭的比电容为39.4F/g。
为了探讨SFC中灰分对SFC/PF共混物活性炭性能的影响,SFC进行脱灰处理后与PF通过浸渍方式混合,结果表明:利用脱灰SFC与PF混合后制备的活性炭的灰分含量由10.6%下降到2.2%,电阻率由2.7μΩ·m下降到2.3μΩ·m,脱灰后活性炭的碘吸附值与亚甲基蓝吸附值分别增大13%和21%,比电容达到73.9F/g。
将活性炭制备成电极后组装成超级电容器,恒压0.9V充电15min后进行恒电流放电实验,得到脱灰SFC/PF共混物活性炭电极的放电时间最长为509s,比利用原煤制备的活性炭电极的185s长324s。超级电容器通过40次循环充放电实验后,其比容可以保持在89.84%。