改性炭电极材料在双电层电容器中的应用研究

超级电容器(学名电化学电容器)是介于电池与传统电容之间的一种新型储能装置,具有比功率高,循环性能好,使用寿命长等特点,目前已经成为储能研究领域中的热门课题之一.其储电原理有双电层电容和可逆氧化还原反应引起的法拉第赝电容,所以超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类,其性能的提高主要依靠超级电容器中电极材料的改进.由于多孔炭材料具有成本低,比表面积大,电化学性能好,物理化学性质稳定等特征,一直是制作双电层电容器电极的首选材料.然而,由于表面化学,孔径分布,表面湿润性等因素,炭材料的表面积并非全部都能形成双电层,即表面利用率低,因而,限制了炭基双电层电容器性能的提高. 本课题用化学法改性普通炭材料,改善炭材料的物理化学性质,提高炭表面的利用率,制备与研究高性能,低成本的双电层电容器电极材料;并在炭电极和超级电容器制作工艺上进行了研究.我们选取商品活性炭,活性炭纤维和炭化椰壳三种炭为原料,分别用"同步物理-化学活化法",双氧水氧化和过度金属盐修饰进行改性.用自动氮吸附仪,SEM等对电极材料进行了表征,用循环伏安,恒电流充放电,交流阻抗等电化学方法研究了改性电极材料构成的电容器性能,如:比电容量,内电阻,漏电流能等.取得了以下主要成果和结论:1.首先为保证所制模拟电容器的稳定性和测试结果重现性,进行了电容器制作工艺的研究.设计和定制了性能优异的模拟电容器模具,它具有装配快速简单,降低接触电阻,耐压性高和密封性,重复性好等特点,为后续的研究提供硬件保证. 2.通过KOH高温活化改性活性炭,比表面积和孔容有较大的提高,BET比表面积从原来的806m2/g增加到1168m2/g,提高了45;总孔容从0.411cm3/g增加到0.577cm3/g;微孔率略有提高,孔径分布变化不大. 3.制得KOH改性炭电极比电容高达到203.5F/g,比未改性的提高64,相对内阻低1.9Ωcm2.恒流充放电,循环伏安等研究结果表明改性活性炭材料具有比电容高,性能稳定,功率特性适合大电流放电,及优良的循环性等优点.值得一提是改性活性炭的体积和面积比电容从原来的67.9F/cm3和15.3μF/cm2显著提高到109.6F/cm3和17.4μF/cm2,使该材料更加具备实际应用价值. 4.研究发现比电容的大幅提高的贡献主要来自于孔径分布在1.40至2.78nm之间的超微孔和小中孔.我们推断,对于直径较小无机电解质(KOH)离子,孔径范围在微孔上限(supermicropore超微孔)和小中孔(略大于2nm)之间的炭表面有利于形成有效的双电层. 5.使用炭化椰壳为前驱体以氯化锌化学活化,可以制备适合双电层电容器用电极材料.制备炭材料均为以微孔为主,所构成的炭电极有良好的循环充放电性能以及较高库仑效率,比电容高达到251.4F/g.实验也证明,炭材料的电性能与比表面积不一定成正相关,最主要取决于材料的孔结构是否有利于形成双电层. 6.以双氧水为氧化剂对活性炭粉末和活性炭纤维进行改性,也取得比较好的效果.对原活性炭和活性炭纤维用浓度为10的双氧水改性效果最好,比电容从118F/g和155F/g分别增加到187.9F/g和201.8F/g;另外,用20的双氧水改性自制炭样,比电容高达300F/g以上(如此低比表面积的纯炭材料获得300F/g以上的比电容在文献报道中是很少见的).说明官能团对炭材料电性能提升的贡献不容忽视,炭材料的氧化改性工艺具有进一步研究的价值和意义. 7.通过浸渍法和掺杂法对活性炭负载金属离子或金属氧化物进行初步研究,发现改性效果总体上掺杂要优于浸渍法;添加Ni2+,Mn2+和Co3+的效果比Cu2+好,金属离子修饰改性后的炭材料比电容有显著提高,为深入研究金属氧化物-炭复合电极材料提供了实验基础和依据.

高性能活性炭净化滤芯及其制备方法

本发明公开了高性能活性炭净化滤芯,包括以下原料:椰壳活性炭70～80重量份,超高分子粘结剂10～15重量份,蛭石5～20重量份,沸石分子筛10～15重量份.本发明还公开了所述的高性能活性炭净化滤芯的制备方法,包括:步骤一,将上述重量份的椰壳活性炭,超高分子粘结剂,蛭石,沸石分子筛分别研磨,过筛至250～400目后,依次经混合搅拌1～2h,预加热至45～55℃,得到混合粉料;步骤二,混合粉料经挤出成型后冷却至室温,然后经裁切后,得到滤芯.本发明中超高分子粘结剂在预加热形成更好粘流态,与其他原料均匀混合,防止原料间形成分层现象,孔隙率高于60%,过滤效率在98.5%以上,除菌率达到99.1%.

基于新型活化反应器的椰壳活性炭制备条件优化研究

本文通过使用一种新型的活化反应器,以椰壳炭化料为原料,采用水蒸气活化法在不同操作条件下制备椰壳活性炭,探讨了水蒸气活化试验中活化温度,水蒸气流量,活化时间,炭化料颗粒度对活性炭得率,活性炭碘值,灰分,水分,pH值,表观密度,粒度分布及强度等指标的影响.结果表明,活化温度,水蒸气流量,活化时间,炭化料颗粒度是该新型活化反应器制备椰壳活性炭最重要的影响因素.正交试验结果表明,使用本新型活化反应器制备高性能椰壳活性炭的最优参数为:活化温度750℃,水蒸气流量5 g/min,活化时间1.5 h,炭化料颗粒度20目.