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超级电容器是介于二次电池与传统电容器之间的一种新型电子储能元件。具有比较高的能量密度及功率密度,近些年得到广泛的关注。在超级电容器的组成中,电极材料是其中最为关键的因素,电极材料的结构直接影响到超级电容器的电化学储能性能。目前,国内外研究人员多注重通过调整活性炭的结构来提高超级电容器的比电容,而针对活性炭材料的导电性及孔结构等对超级电容器内阻的影响研究相对较少。活性炭布经裁剪后可直接作为超级电容器的电极,从而避免了粘结剂的加入对电极材料孔及导电性的不利影响。本文主要就活性炭布的孔结构及表面结构对超级电容器内阻的影响进行系统研究,考虑在基本不影响比电容的状况下,减小超级电容器的内阻,从而达到提高其功率密度的效果。
⑴以实验室自制酚醛基纤维布为原料,通过二氧化碳活化、水蒸气活化及浸渍金属盐二次活化制备不同孔结构的活性炭布,并考察活性炭布在有机电解液中的电化学性能。结果表明:不同的活化方法下,随着活化程度的加深,活性炭布的比表面积及平均孔径增大,导电性下降。比表面积及平均孔径的增大有利于电解液离子在活性炭布孔内形成双电层进行储能,而较大的孔径及较高的电导率使得电极材料组装的电容器具有较小的内阻,功率特性有较大的提高。
⑵通过不同的氟化工艺在活性炭布表面引入氟元素,考察氟化处理对活性炭布结构及电化学性能的影响。结果表明:经氟化处理的活性炭布表面形成离子性的氟碳键,活性炭布的导电性显著增大,电化学性能也有较明显的改善,达到了提高电容器的功率密度及能量密度的目的。
⑶采用化学气相沉积在活性炭布表面引入碳纳米管,通过选择催化剂种类、催化剂浓度、沉积温度及沉积混合气中氢气的比例等影响因素制备了系列活性炭布,并考察了其作为电容器电极的电化学性能。结果表明:在较短的沉积时间里,镍的催化活性较好。在镍催化沉积过程中,催化浓度影响催化剂颗粒在活性炭布表面的分布,沉积温度影响碳纳米管的生长速度及催化剂的活性,氢气流量影响催化剂的活性及沉积混合气中碳源气的浓度。适宜的催化剂浓度、沉积温度及沉积混合气中氢气的比例可以得到较好的沉积产物,所制得的电极材料导电性增强,电容器的内阻下降比较明显。
⑷采用等效电路拟合研究孔结构及表面化学结构对超级电容器内阻的影响机理。超级电容器的电极过程主要包括电子传递与电解液离子在孔中的扩散两个过程。对于有机电解液电容器来说,电容器的电极过程受电子传递与离子扩散共同控制,但离子扩散控制影响更为明显些。经过氟化沥青处理或表面沉积碳纳米管的活性炭布导电性有所提高,其作为电极的电容器的内阻减小,电极过程主要受电子传递过程控制。