超级电容器高比容量活性炭纤维电极材料的制备与电化学性能.pdf

J-091 超级电容器高比容量活性炭纤维电极材料的制备与电化学性能 ．型∥吴锋2曹高萍1 陈实2 杨裕生1 n肪化研究院，北京，1 00083，E-mail：xubinn@一。sohu．com) 0北京理工大学化工与环境学院，北京，100081) 多孔炭材料是超级电容器的核心．理想的炭电极材料，不仅要有高的比表面积，也要 有合适的孔径分布．从能量密度和功率密度的角度考虑，中孔对双电层电容性能会更有 利．但是，对于活性炭的制备来说，高比表面积和发达的中孔结构却有相互矛盾的地方． KOH或Na0H化学活化可制备出比表面积达3000m2·g-t的超级活性炭，但这些炭材料通常是微 孔型的，中孔比例低．催化活化法、模板法、有机凝胶炭化法等可制备中孔发达的炭材 料，但是其比表面积_般在1500m2·g-1以内．制备兼有高比表面积和发达的中孔结构的炭 材料成为迫切的需求．本文以聚丙烯腈(PAN)纤维为原料，以NaOH为活化剂，刺备出高比表 面积中孔活性炭纤维(ACFs)，研究了其在无机和有机电解液中的电化学双电层电容性能． ： l实验部分 将PAN纤维预氧化，炭化后与NaOH溶液混合，真空浸渍．干燥后将混合料放入管式 炉，于600oC恒温活化lh．炭化和活化过程均在高纯氮气(99．999％)的保护下进行．活 K)吸 化结束后，经洗涤、干燥得活性炭纤维样品．在物理吸附仪上测定ACFs的N2(77 附等温线以表征其比表面积和孔结构。将ACFs与导电剂乙炔黑和粘合剂Pn吧混合，调浆， tool·L-1 压成薄片，再压在集流体上，真空烘干后用作电极。。分别以6tool·r1KOH和l LiClOdPC为电解液，装配成模拟电容器．采用恒流充放电、循环伏安和交流阻抗等评价其 电化学性能． 2．结果与讨论 NaOH用量对所制备的ACFs的比表面积和孔容的影响分别如图1、2所示．碱炭比由1 m2·g-1，在碱炭比为4时达到最大值3291 增大到3，比表面积由498m2·g。1迅速增大到3211 0·g一，其后继续增大碱炭比ACF的比表面积反而略有降低。总孔容、微孔孔容和中孔孔容 随NaOH用量的增大都呈现出先迅速增加达到最大值后又缓慢降低的趋势．可见，活化剂用 量对活性炭纤维的比表面积和孔结构有着非常显著的影响。就比表面积、孔容和中孔率三个 cm3·g．‘， 指标考虑，ACF4具有最佳的综合性能，比表面积达3291m2·g～，总孔容2．162 中孔率达66．7％，是一种兼有高的比表面积和发达的中孔结构的炭材料。 采用恒流充放电测试了活性炭纤维在6m01．L-1KOH水溶液中的比电容，充放电电压范围 为o-1．0V，电流密度50nLA·g～，结果见图3．所制备的活性炭纤维在KOH水溶液电解液 中具有非常高的比电容，除ACFl外都在330F·g’1以上，ACF4具有最高的比表面积(3291 0·g-1)，其比电容也最大，达371F·g～．从图4可以看出，随电流密度增大，由于极化 所有活性炭纤维的比电容都逐渐降低．ACFt的比电容随电流密度增大迅速降低，这主要是 因为其孔径太小，大电流下离子在孔内的迁移受阻．ACF4由于兼有高的比表面积和发达的 中孔结构，大电流性能最佳，电流密度由50mA·gq增大到10A·g一，印增大了200倍， 其比电容还高达213 F·g一，这是一个非常有吸引力的值． ACFs在1 径全为1tim的微孔，在有机电解液中的表面利用率很低，其比电容仅9F·g一．随Na0H 用量增大，ACFs的比电容也迅速增大，ACF4具有最大的比电容，高达212F·g一．’除ACFl 外所有ACFs样品的比电容都