煤基活性炭的制备及其电化学性能的研究

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电极材料成本高是制约超级电容器大规模工业化的主要原因,而煤基活性炭具有生产成本低、来源广泛、制备方法简单、良好的导电性、高的比表面积、耐腐蚀性、可控的孔结构以及电化学稳定等特点,因此,以煤基活性炭作为电极材料具有广阔的应用前景。  本文以无烟煤为原料,研究物理活化法中各个因素对煤基活性炭制备的影响,通过正交实验筛选出最佳实验条件,结果表明:在碳化时间2h,碳化温度500℃,活化时间2h,活化温度850℃,水流量1.0ml/min的条件下,活性炭的碘值可达1368.858mg/g,比表面积1295.914m2/g,中孔率45.6%。  采用KOH化学活化法进行煤基活性炭的制备,结果表明:KOH活化条件下碱碳比选择2~4:1,活化温度750~850℃,活化时间30-90min较为合适。研究表明,单纯采用物理法,可以得到比表面积较大,微孔较多但中孔不够发达的活性炭;只采用化学法,中孔率较高,但其比表面积较小。因此,本文以物理活化法制得的活性炭为原料,采用化学法进行二次活化,结果表明:碱碳比3:1,活化温度800℃,活化时间60min为最佳二次活化的实验条件,碘值可达1552.33mg/g,比表面积1474.208m2/g,中孔率53.4%,适宜制备煤基活性炭电极。  筛选六种不同比表面积、中孔率和平均孔径的活性炭,通过循环伏安法和恒流充放电测试进行电化学分析,结果发现随着比表面积的增大,比电容有一定程度的提高,但两者并不呈线性关系;在比表面积一定的情况下,孔径分布对活性炭的比电容有较大影响。再筛选出四种不同粒度的活性炭进行实验,结果表明,活性炭的粒度对电极材料的电容特性有一定的影响,粒度的减小使得活性碳颗粒与导电剂颗粒之间的孔隙减小,提高了电极的导电能力,从而提高电容器的电容特性。  对利用二次活化制备的活性炭进行电化学性能的测试,结果表明,其电容特性均有了较大提高,比电容可达181.2F/g,说明二次活化的方法适宜制备超级电容器电极材料。
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