超级电容器多孔炭电极浸润性的研究
在电化学储能领域中，超级电容器因其功率密度高、充放电速率快、循环寿命长等优点受到了广泛的关注。炭材料成本低、结构稳定、性能优异，是最常见的超级电容器电极材料，也较早地实现了商业化，但其比电容仍有待进一步提高。对于炭基超级电容器而言，炭电极在电解液中的浸润性也是影响其电化学电容性能的一个不可忽视的重要因素。本文从炭材料自身的浸润性、炭电极在电解液中的浸润性以及粘结剂对炭电极浸润性的影响三个角度出发，探究了浸润性对炭电极电化学性能的影响规律以及改善机制，主要研究内容和结果如下: (1)硝酸氧化处理引入含氧官能团改善活性炭电极浸润性的研究。以商业活性炭YP为活性材料进行硝酸氧化处理，探讨了氧化时间对YP的浸润性和电化学性能的影响。研究发现，经18h硝酸氧化处理过的活性炭电极与电解液的接触角从处理前的124°降低到89°，浸润性有大幅度改善，更多的电解液得以进入电极内部，提高了电极的有效电化学比表面积;另一方面含氧官能团又能够提供赝电容，使得总的比电容显著提升，在碱性电解液体系中最大提升了30％，在酸性电解液体系中最大提升了90％。然而，硝酸氧化处理引入含氧官能团的同时会降低活性炭的导电性，使得倍率性能有所下降。因此选择合适程度的氧化处理能够得到浸润性优异、容量高、倍率性能较好的超级电容器炭材料。 (2)在氢氧化钾电解液中加入异丙醇作添加剂改善多孔炭电极的浸润性的研究。以酚醛树脂为碳源，乙二胺四乙酸二钠锌为活化剂和模板剂，在800-1100℃下热处理制备了不同石墨化程度的多孔炭。热处理温度越高，多孔炭的石墨化程度越高，对电解液的浸润性越差。异丙醇作为添加剂加入到氢氧化钾电解液中，能够改善电极与电解液之间的浸润性。选取不同热解温度下制备的多孔炭为活性材料制备电极，1100℃热处理后的多孔炭电极具有最高的石墨化程度，接触角测试表明异丙醇的加入使得其接触角从120°降低到77°，降低幅度最大。在相同条件下进行电化学性能测试，相比于纯氢氧化钾电解液，在氢氧化钾电解液中加入异丙醇可以有效增加多孔炭的比电容。在0.1A g-1电流密度下，800℃制备的多孔炭电极比容量增加8％，950℃制备的多孔炭电极比容量增加15％，1100℃制备的多孔炭电极比容量增加最高达27％。异丙醇通过降低表面张力，使得更多的电解液离子进入到石墨化多孔炭的孔内，有利于减小内部阻抗、增加有效比表面，从而改善浸润性，提升电化学性能。 (3)还原氧化石墨烯(RGO)作亲水粘结剂制备超级电容器炭电极的研究。使用RGO作亲水粘结剂代替传统炭电极中疏水的PTFE粘结剂，能够显著改善整个电极的浸润性，相比于PTFE基电极而言，RGO基电极的接触角可以从120°以上降低到60°以下，浸润性大幅度提升;此外，制备得到的电极具有发达的三维结构，RGO基电极的比表面积为1240m2g-1，高于PTFE基电极(1000m2g-1)。得益于其良好的浸润性和发达的孔隙结构，RGO基电极表现出优异的电化学性能，在6mol L-1KOH碱性电解液中，RGO基电极的容量可达到216F g-1，显著优于PTFE基电极(105F g-1)。通过调整热还原温度可对RGO基电极的结构和性能进行优化，在较低的热还原温度下，RGO基电极具有较好的浸润性和较高的容量;随着热还原温度的升高，RGO基电极的浸润性逐渐变差，但电导率逐渐提高，倍率性能得以改善。RGO作为一种新型粘结剂，其本身具有的亲水性能够提升电极整体的浸润性，同时所形成的发达三维结构有利于增加电极的比表面，为离子快速传输提供发达通道，从而改善电极的电化学性能。
超级电容器;炭电极;浸润性能;粘结剂;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料工程
徐斌;佘沛亮
2020
中文
TM53;TM242
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）