王 力,張傳祥, 段玉玲,邢寶林, 張亞飛
(1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454003;2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454003)
活性炭以制備簡單、成本低、比表面積大、導(dǎo)電性好以及良好的電化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)成為目前用于超級(jí)電容器的主要電極材料之一[1]。一般認(rèn)為,超級(jí)電容器的比電容主要是由活性炭電極表面形成的雙電層貢獻(xiàn),因此,往往通過提高活性炭材料比表面積來提高電容器的比電容[2]。然而影響超級(jí)電容器的電化學(xué)性能的因素除比表面積外,還與活性炭結(jié)構(gòu)、孔體積、孔徑分布、電導(dǎo)率、電解液成分和表面官能團(tuán)有關(guān)[3]。
研究表明,活性炭較大表面積及較大的中孔結(jié)構(gòu)有利于電容器的能量及功率性能的提高。但作為超級(jí)電容器電極材料,活性炭不僅要滿足較大的比表面積、較好的顆粒間及內(nèi)導(dǎo)電性,而且還要具有較好的浸潤性?;钚蕴勘砻婧豕倌軋F(tuán)的存在,對活性炭表面的親水性及電極反應(yīng)電位都會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此,超級(jí)電容器的比電容、內(nèi)阻、耐壓、壽命、漏電特性等都將受到活性炭表面含氧官能團(tuán)的影響[4-5]。深入研究官能團(tuán)對電極性能的影響,對超級(jí)電容器電極材料的制備具有重要意義[6]。腐植酸鉀是一種高分子非均一的芳香族羥基羧酸鹽,含氧量極高,芳環(huán)骨架上含有羧基、酚羥基、羥基、醌基、甲氧基等多種含氧官能團(tuán)。因此本文選取腐植酸鉀為原料來考察不同種類含氧官能團(tuán)對活性炭電極性能的影響。
1.1 實(shí)驗(yàn)原料和樣品制備
以腐植酸鉀 (表1為腐植酸鉀的工業(yè)分析與元素分析)為原料,KOH為活化劑,升溫速率為5℃/min,活化溫度為700℃,活化時(shí)間為1 h,N2氣流量為200 mL/min制備的活性炭命名為ACK。AC原樣活性炭在高純氮?dú)獗Wo(hù)氣氛中分別以200、400、600、800、1 000℃加熱處理1 h得到樣品,命名為ACX(X=200~1 000)。
表1 腐植酸鉀的工業(yè)分析與元素分析
1.2 氮?dú)馕綔y試
用Autosorb-iQ-MP型全自動(dòng)兩站式氣體吸附分析儀對炭、活化后樣品的孔徑分布及比表面積等孔徑結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測試。采用低溫液氮(77 K)條件下的氮?dú)獾葴匚椒y定試樣的吸/脫附等溫曲線。由布魯瑙爾-埃利特-特勒法(BET)法計(jì)算活化后樣品的總比表面積,用密度函數(shù)理論(DFT)模型得到材料的孔徑分布。取測試中相對壓力p/p0為0.99的吸附量來計(jì)算樣品的總孔容。測試前,將樣品在200℃脫氣10 h,以脫除樣品中水分及其他氣體雜質(zhì)。
1.3 元素分析
采用Vario Macro Cube元素分析儀測試,測定樣品中C、H、N含量,測試樣品粒度小于0.2 mm。測試前,樣品在真空干燥箱中于120℃下干燥2 h。
1.4 傅里葉紅外光譜測試
采用傅里葉紅外光譜(FTIR)儀對樣品的表面官能團(tuán)進(jìn)行分析測試,紅外光譜波數(shù)測試范圍為4 000~600 cm-1,分辨率為4.0 cm-1,測試共掃描16次。測試前,將樣品充分干燥,在紅外燈的照射下,樣品與KBr按質(zhì)量比為1∶200進(jìn)行研磨壓片,之后放入FTIR儀的樣品測試凹槽進(jìn)行透射光譜測試。
1.5 活性炭電極制作及電容器組裝
將活性炭、炭黑、黏結(jié)劑按質(zhì)量比85∶10∶5在瑪瑙研缽中混合均勻,然后稱取一定質(zhì)量的混合物料,在臺(tái)式電動(dòng)壓片機(jī)上以10 MPa的壓力壓成面積約1.3 cm2、厚度約0.2 mm的電極片。在真空干燥箱中將電極片于120℃下干燥4 h,然后冷卻、稱重,在3 mol/L的KOH電解液中真空下浸泡1 h,以聚丙烯(PP)為隔膜,組裝成三明治型電化學(xué)電容器。
1.6 電化學(xué)性能測試
用CSCT超級(jí)電容器測試系統(tǒng)對電容器進(jìn)行恒流充放電(充放電電壓范圍為0.90~0.05 V,電流范圍為0.85~85.00 mA,不同電流密度下循環(huán)充放電10次以上)、循環(huán)伏安(掃描速率為1~20 mV,掃描電壓為0.05~0.90 mV)、漏電流測試(0.9 V的恒壓下)。
當(dāng)模擬電容器正負(fù)極活性炭含量相同時(shí),其單電極質(zhì)量比電容的計(jì)算公式為:
式中:I為放電電流,A;m為單電極中活性炭的質(zhì)量,g;ΔV為放電時(shí)Δt時(shí)間間隔內(nèi)電壓的變化,Δt/ΔV由恒流放電曲線斜率的倒數(shù)求得。
2.1 不同溫度熱處理后活性炭的孔結(jié)構(gòu)分析
圖1為各活性炭的吸附等溫線圖,在中壓區(qū)出現(xiàn)吸附滯后環(huán),并且有較為明顯的尾部后翹,說明樣品以微孔為主,孔分布相對較寬。圖2為各樣品的孔徑分布圖,活性炭樣品主要以微孔為主,主要集中在1~2 nm,并且含有少量中孔,不同溫度熱處理后所得活性炭具有相近的比表面積和孔結(jié)構(gòu)。不同溫度熱處理后活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。由表2可知,經(jīng)不同溫度熱處理后活性炭的比表面積、孔容等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生小幅波動(dòng),這說明炭樣品表面的含氧官能團(tuán)對炭樣品比表面積、孔容、孔徑的分布有一定影響,但總體來說,不同溫度熱處理后活性炭的孔結(jié)構(gòu)變化并不明顯,其對電容器電化學(xué)性能的影響較小[7]。
圖1 活性炭的N2吸附等溫線圖
圖2 活性炭的孔徑分布
表2 活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)參數(shù)
2.2 不同溫度熱處理后元素分析
活性炭表面含有豐富的含氧官能團(tuán),這些含氧官能團(tuán)的存在改善了活性炭在KOH電解液中的潤濕性,提高了其用作超級(jí)電容器電極材料的比表面積利用率。因此,在KOH電解液體系中,當(dāng)活性炭的孔結(jié)構(gòu)發(fā)展到一定程度后,比表面積已不再是限制電極材料比電容的最主要因素,此時(shí)活性炭表面化學(xué)性質(zhì)對提高活性炭電極的比電容至關(guān)重要。
對不同溫度處理下所制活性炭的元素組成進(jìn)行分析,結(jié)果見表3,隨著處理溫度的升高,活性炭中碳元素的含量越來越高,氧、氮、氫元素的含量逐漸降低,對活性炭表面化學(xué)性質(zhì)起主導(dǎo)作用的主要是活性炭中含量較高的氧元素[8]。
表3 活性炭的元素分析
2.3 不同溫度處理后FTIR分析
圖3為不同溫度熱處理后各樣品的紅外光譜圖?;钚蕴吭谠? 400 cm-1左右的吸收峰主要是由測試樣品中的吸附水所引起的,ACK、AC2在2 125 cm-1處有微弱的峰,屬于H2O和頻吸收譜帶;在2 280 cm-1處的峰為-C≡C-的伸縮振動(dòng);在2 820 cm-1處微弱的肩峰屬于醛基的吸收峰。AC6、AC8和AC10的紅外光譜圖上可觀察到這兩個(gè)吸收峰,但在ACK、AC2和AC4譜圖上很弱甚至觀測不出,這是熱處理溫度升高,脂肪族側(cè)鏈或橋鍵斷裂,芳環(huán)發(fā)生縮聚反應(yīng)的結(jié)果。圖3中,1 634 cm-1峰除表征芳核C=C的存在,也與C=OH-O締合有關(guān),在3 300~3 500 cm-1之間(3 406 cm-1處最強(qiáng))的寬吸收峰反映了締合-OH的存在[9-10],1 385 cm-1處羧酸根離子(-COO-)的對稱伸縮振動(dòng),表明AC6、AC8和AC10樣品上存在部分羧基(羧酸鹽)。隨著熱處理溫度的升高,這些峰的強(qiáng)度均明顯增強(qiáng),可能是發(fā)生了如下反應(yīng)[11-12]:
圖3 活性炭的紅外光譜圖
2.4 活性炭電極材料電化學(xué)性能
圖4為熱處理前后活性炭電極在電流密度為50 mA/g時(shí)的充放電曲線,充放電曲線都呈較規(guī)則的等腰三角形,具有良好的對稱性,電壓隨時(shí)間呈線性變化;根據(jù)超級(jí)電容器的恒流充放電曲線,用式(1)計(jì)算活性炭電極在不同電流密度下的比電容如圖5所示,熱處理后活性炭的比電容比處理前均有很大變化。經(jīng)200、400℃處理所得活性炭AC2、AC4的比電容增加明顯;隨著電流密度的增加,活性炭的比電容下降,漸漸趨向于穩(wěn)定,ACK、AC2、AC4、AC6、AC8、AC10電容保持率分別為73%、78%、87%、78%、84%和80%,說明高溫處理后炭電極比電容的衰減率明顯低于處理前。
圖4 活性炭電極的充放電曲線圖
圖5 不同電流密度下活性炭電極的比電容
圖6為活性炭電極在掃描速率為1 mV/s時(shí)的循環(huán)伏安曲線,熱處理前后曲線接近矩形,且對稱性較好,說明活性炭具有良好的可逆性和電容特性,所圍圖形的面積也說明了比電容的大小,表明含氧官能團(tuán)影響活性炭的比電容。漏電流是電解液分解,電解質(zhì)與活性炭表面官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)及內(nèi)阻等綜合影響的結(jié)果,是衡量超級(jí)電容器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。圖7為各樣品漏電流測試結(jié)果,電流開始時(shí)迅速下降并很快趨于穩(wěn)定,AC2漏電流增大,其他樣品隨著溫度的增加而逐漸減小。
圖6 活性炭電極的循環(huán)伏安曲線圖
不同溫度下活性炭熱處理對活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)影響較小,熱處理前后比表面積和孔結(jié)構(gòu)基本不變;氧元素含量變化明顯,隨著溫度的升高,氧元素含量下降;含氧官能團(tuán)種類發(fā)生變化,隨著溫度的升高生成部分醛基,羧基、羰基含量增加。
圖7 活性炭電極的漏電流曲線圖
活性炭電極材料的漏電和貯存性能主要是受表面含氧官能團(tuán)醛基、羧基、羰基和羥基的影響。200℃處理后電極漏電電流增加,可能是表面羧基及其它含氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)所致;熱處理溫度超過600℃以后比電容下降;高純氮?dú)獗Wo(hù)下熱處理可改善活性炭電極材料的性能,高溫處理后電容保持率增加,炭電極比電容的衰減率明顯低于處理前。
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