活性炭超级电容器的电化学行为

1、活性炭超级电容器电极的电化学行为0102活性炭超级电容器的介绍活性炭的制备目录03电化学测试1.1超级电容器的介绍超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元器件，具有超大容量及快速贮存和释放能量的特点。双电层电容器电极材料需要高的比表面积电极材料，因此活性炭成为制作超级电容器理想材料。1.2活性炭的介绍普通活性炭中的微孔(孔径2 nm)占据很大的比例。这些微孔无法被大量的电解质离子润湿形成有效双电层，从而大大降低了有效比表面积。此外，活性炭材料的微孔不利于电解质离子的快速、有效地传输，而降低电容器的大电流充、放电能力。介孔碳以其有序的介孔结构能有效的降低离子传输电阻，具有独特的表面特

2、性。它的主要特点为： （1)具有规则的孔道结构，孔道大小均匀、排列有序； （2）孔径分布窄； （3）具大的比表面积和孔容； （4）具有很好的热稳定性和化学稳定性； （5）颗粒具有规则的外形，且可在微米尺寸内保持高度的孔道有序性。2.1 原料预碳化作为制备活性炭的含碳量高的原料除了含有碳元素还有一些非碳元素，如氧、氢、氟、硫等元素。这些元素含量的高低和化学结构状态都能影响活性炭的性能。碳化是将原料在保护气氛下加热处理，使原料发生热分解。碳化过程是伴随着非碳元素排出的过程，这些元素一般以气体的形式排出，如氧气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等。碳化温度和碳化时间是影响碳化程度和最终得到的活性炭性能的重

3、要条件，这两个条件能对活性炭的收率、比表面积、孔容积、孔径分布等性能产生重大影响。2.2 温度对碳化的影响碳化温度是活性炭制备过程中的影响因素之一，随着碳化温度升高活性炭的比表面积也有相应的提高，但是当达到最佳碳化温度时，温度继续升高反而使活性炭的比表面积又降低了。这种现象是因为挥发分随温度升高而减少，碳化温度过低时，碳化原料的挥发分难以排出，活化过程中反应活性小，不利于有机物碳化，因而不易有孔结构形成。随着温度升高，碳化程度得到了提高，挥发分逐渐减少，活化性能提高。但是碳化温度升高也会使活性炭收率降低，灰分比例增加，因此温度过高也会导致本来的孔结构遭到破坏，比表面积下降。碳化温度过高导致活性

4、炭收率降低的主要原因有两点：其一温度越高，生物质热解的越充分；其二是形成的焦炭残留物发生了二次分解。2.3 时间对碳化的影响康捷等在用棉秆制备活性炭的一文中对碳化时间对活性炭性能的影响进行了研究，结果表明：在400下活化，碳化时间延长至180min，此阶段内活性炭的吸附性能得到了提高，但碳化时间从180 min延长至240 min，吸附性能没有明显增强，因此碳化温度为400，碳化时间为180 min为最佳条件。碳化时间越长，挥发分逸出而留下的孔隙越多，炭化越充分，利于有机物成炭，减少堵塞孔的焦油，利于微孔的形成。但是当碳化完全之后，碳化时间的延长对活性炭的影响不再明显。2.4活化方法 活化反应

5、用氧化气体或化学物质做氧化剂清除孔隙中杂质，扩大炭化料在炭化过程中产生的孔隙和产生新的微孔 ，进而提高了孔容积和比表面积 。 物理活化法 活化方法 化学活化法2.5 化学活化法活化剂：KOH,H3PO4,ZnCl2等控制因素：活化剂种类、活化温度、活化时间、活化剂比例等合适的活化剂原料炭化活化剂中浸泡活化的活性炭目录3.1 循环伏安测试图1不同扫描速度下电极的循环伏安谱图 如图 1所示，在 520 mV/s扫描速度下对正负极进行循环伏安测试，可以看出，在低扫描速度下，负极、正极的循环伏安曲线基本上为矩形，表明具备良好的电容特性。随着电位扫描速度的增加，负极的矩形形状基本不变，而正极则发生了变形

6、，说明负极的电容特性相对稳定。3.2 交流阻抗测试图2 电极交流阻抗谱图 可见，负电位下的阻抗谱图由高频区的半圆弧和低频区的近似垂直于 Z轴的直线组成，表明负电位下活性炭材料出现“电荷饱和”，即此时电极中储存的大部分电容量均可得到利用，因此具有良好的电容特性。而正电位下阻抗图谱由高频区的小半圆弧和低频区的大半圆弧组成。 正、负电位下阻抗图中高频区半圆的出现主要是由于活性炭表面含氧基团与电解质中的离子发生电极反应，因此产生电荷转移电阻 Rr。3.3 比容量的测试图3 电极Bode谱图 如上图，在低频区 ，正负极相角值随频率增加而减小很快 图4 正负极比容量与频率的关系 该频率下电极的比电容较 大，且几乎保持不变。并且，正负极分别在211mHz和8.07m Hz分别出现了一个峰,表明在低频区正、负极上分别有电极反应发生3.3 比容量的测试3.4 电极自放电测试图5 电极自放电曲线 将超级电容器恒流充电到 1.2V后静止，考察正负极自放电曲线，如图所示，可以看出，正极放电过程主要集中在初始阶段的前92min内,从0.3v快速的下降到0.05V，在接下来的过程中电位基本不变。而负极自放电速率相对平稳，从-0.9渐下降-0.07V。3.