大峰矿无烟煤制备超级电容器电极材料的研究

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超级电容器是一种极具潜力的新型高效实用型储能器件,具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。以煤为原料制备超级电容器用活性炭电极材料,不仅原料来源广泛、价格相对低廉,而且由于煤基活性炭材料本身制备工艺成熟,这将有助于碳基超级电容器的尽快商业化。  本课题研究大峰矿无烟煤制备超级电容器电极材料。首先用盐酸和氢氟酸的混合酸脱除无烟煤的灰分;其次以脱灰煤为原料、KOH为活化剂,在管式炉中氮气氛围下活化制备活性炭;然后按照“活性炭/石墨粉/pvdf粘结剂=85:10:5”的比例混合涂片制得活性炭电极片。最后,通过电化学工作站测试电极材料的电化学性能,通过响应面的分析方法求得制备活性炭电极材料的最佳制备条件。  经过盐酸(45%,V/V),氢氟酸(15%,V/V)的混合溶液浸泡后煤样灰分从5.19%降低到1.34%。在活化实验中分别探讨碱碳比、活化温度、活化时间、升温速率四个因素对活性炭收率及比电容的影响。活性炭电极材料的比电容随着四个因素的增大,比电容均呈现先增大后减小的趋势,分别在碱碳比为4:1、活化温度为750℃、活化时间为1.5h、升温速率为10℃/min时达到最大。在单因素实验的基础上,利用响应面Box-Behnken实验设计方法进行实验,以比电容和收率为指标,根据实验结果建立回归方程模型,进行响应面分析、优化,得到最佳制备条件为碱碳比4.09:1、活化时间1.49h、活化温度756.78℃、升温速率9.61℃/min。最佳条件下制备的活性炭电极材料在6mol/L的KOH电解液中比电容为344.976 F/g,相对误差为0.546%;活性炭收率为55.06%,相对误差为4.08%。  采用低温氮吸附和X射线衍射分析最佳条件下制备的活性炭,结果表明制备的活性炭呈无定型结构,比表面积高达2144 m2/g,主要以微孔为主,还有一定比例的中孔,中孔率达到38.6%,孔径分布合理。通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗和循环性能测试电极材料电化学性能,结果表明电极材料电容性能良好、可逆性好,以双电层储能为主,循环性能良好,电容保持率在90%以上。活性炭电极材料在KOH电解液中的电容性能优于H2SO4电解液。
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