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超级电容器用沥青基活性炭微球的研究

作　者: 薛运伟
导　师: 吕永根
学　校: 东华大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 超级电容器沥青炭微球孔结构充放电性能
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

超级电容器是一种介于电容器与蓄电池之间的新型储能器件，它能够提供比普通电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的循环寿命，同时，它还具有比电池耐温和免维护的优点，近年来，广泛用于内燃机车、工程机械等的发电机系统，以提供其启动的强大电流。超级电容器的核心技术是电极材料，常见的主要有三类：金属氧化物、导电聚合物及活性炭材料，其中，活性炭材料因价格低廉、原料易得而得到最为广泛的应用，工业化前景看好。炭微球作为炭材料家族中的一员，在用作超级电容器时，表现出其特有的优势：一，球形表面有利于降低电解质离子在其表面的流动阻力；二，球形形状更利于堆积、压实。目前，以不同原料制备多孔活性炭微球的方法不断涌现，而沥青作为一种来源广泛，价格低廉的碳氢化合物，其含碳量可高达90％，且已被证实是一种理想的微球前驱体原料。本文以煤焦油沥青为主要原料，通过悬浮法制备成沥青微球。为了研究沥青在甲苯中的溶解性以及沥青与PVA—甘油体系的亲水性对成球性能的影响，分别以10wt％，20wt％，30wt％，40wt％等的石油沥青添加剂加入到煤焦油沥青中：将配制好的沥青混合物充分溶解于甲苯中，配制成200g沥青／L甲苯的溶液，然后在浓度为10g／L的PVA—甘油乳化体系中悬浮成球，将所得沥青微球预氧化、炭化即得炭微球。分别用FTIR、DSC和极性测试等表征方法对沥青化学结构对其成球性能作了分析，并建以模型辅助阐述成球机理。结果表明，20wt％的石油沥青添加剂可以有效改善煤沥青的乳化成球性能，并达到最终改善炭化微球的目的。将所得炭微球进行水蒸气活化，即得活性炭微球。为得到高比表面、较高收率的活性炭，文中深入探索了影响活性炭性能的工艺条件，提出了活化工艺路线的优化方案，并制备了酚醛树脂基活性炭微球、沥青基活性炭微球和沥青基活性炭粉三种形态的活性炭。为了考察活性炭孔结构和形态结构对其作为超级电容器电极材料时充放电性能的影响，以1.5mol／L的KOH为电解液，将三种活性炭制备成超级电容器，分别用恒电流法和循环伏安法测定了其充放电性能。在1mA下充放电，酚醛树脂基活性炭微球、沥青基活性炭微球和沥青基活性炭粉的充电比容量分别为127F／g，120F／g，116F／g，而在50mA下充放电，充电比容量分别为68F／g，43F／g，20F／g。通过对活性炭孔结构、形态结构和充放电性能的相关性研究，发现微球形态的前驱体活化后容易得到中孔发达的活性炭材料，而且微球形活性炭对电解液的阻力小，使电解质离子在充放电过程中容易吸脱附，在大电流下充放电容量较无规活性炭粉高。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章选题背景及意义  13-31
  1.1 引言  13-14
  1.2 超级电容器简介及其电极材料的发展状况  14-18
    1.2.1 超级电容器的分类及工作原理  14-16
    1.2.2 超级电容器电极材料发展状况  16-18
  1.3 炭基超级电容器电极材料  18-21
    1.3.1 活性炭粉  18-19
    1.3.2 活性炭纤维  19-20
    1.3.3 炭气凝胶  20
    1.3.4 碳纳米管  20-21
  1.4 炭基超级电容器的结构组成  21-23
    1.4.1 电解质溶液  21-22
    1.4.2 隔板和集电材料  22-23
  1.5 多孔炭材料微观结构与超级电容器性能之间的关系  23-25
    1.5.1 比表面积  23-24
    1.5.2 孔径分布及中孔结构  24-25
    1.5.3 表面官能团  25
  1.6 多孔活性炭材料的制备及其孔结构控制  25-29
    1.6.1 催化活化法  26-27
    1.6.2 混合聚合物炭化法  27
    1.6.3 模板炭化法  27-28
    1.6.4 对活化介质及活化方法的改进  28-29
  1.7 选题意义及研究内容  29-31
    1.7.1 选题意义  29-30
    1.7.2 主要研究内容和技术路线  30-31
第二章悬浮法制备沥青微球  31-44
  2.1 引言  31-32
  2.2 实验部分  32-36
    2.2.1 实验所需主要原料  32
    2.2.2 沥青原料物化性质及基本表征  32-35
    2.2.3 所需主要实验仪器  35
    2.2.4 沥青微球的制备  35-36
  2.3 实验结果与讨论  36-43
    2.3.1 沥青的表面极性  36
    2.3.2 沥青微球的形貌  36-37
    2.3.3 沥青微球成球机理  37-41
    2.3.4 改性煤沥青微球的制备  41-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章煤焦油沥青基活性炭微球的制备  44-56
  3.1 引言  44-45
  3.2 实验部分  45-46
    3.2.1 实验原料及主要仪器  45
    3.2.2 不熔化  45-46
    3.2.3 炭化及活化  46
  3.3 实验结果与讨论  46-55
    3.3.1 不熔化、炭化、活化机理分析  46-48
    3.3.2 活化条件对活化收率及比表面积的影响  48-50
    3.3.3 活化条件对活性炭结构影响分析  50-52
    3.3.3 优化活化条件下所得活性炭形态结构和孔结构  52-55
  3.4 本章小结  55-56
第四章不同形态活性炭的充放电性能比较  56-73
  4.1 引言  56
  4.2 实验部分  56-60
    4.2.1 实验原料及仪器设备  56-57
    4.2.2 活性炭电极的成型  57-58
    4.2.3 超级电容器的组装  58
    4.2.4 超级电容器电化学性能测试  58-60
  4.3 实验结果与讨论  60-72
    4.3.1 成型工艺对电极强度的影响  60
    4.3.2 恒电流充放电法测试结果  60-64
    4.3.3 循环伏安法测试结果  64-72
  4.4 本章小结  72-73
全文结论  73-74
参考文献  74-78
薛运伟硕士期间发表的论文  78-79
致谢  79

超级电容器用沥青基活性炭微球的研究

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