生焦基活性炭的制備及電化學(xué)性能研究

張旭升, 田曉冬, 宋 燕*, 武晉如, 楊 桃, 劉占軍

(1. 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 中國(guó)科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049)

近年來(lái)，超級(jí)電容器因其充放電速率快、安全性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。電極材料作為超級(jí)電容器的重要組成部分，對(duì)其電化學(xué)性能具有重要影響[4]。超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制主要基于電極/電解質(zhì)界面的可接觸面積以及電荷傳輸動(dòng)力學(xué)，包括電極孔隙當(dāng)中的離子擴(kuò)散和骨架當(dāng)中的電荷轉(zhuǎn)移[5]。研究已經(jīng)證實(shí)，具有合理孔徑分布的電極材料可以有效地促進(jìn)電解質(zhì)離子傳輸和擴(kuò)散，增加有效接觸面積[6]。活性炭因具有豐富的比表面積、發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛用作超級(jí)電容器電極材料[7]。制備活性炭的原料種類多樣，常見(jiàn)的有煤炭[8]、石油[9]和生物質(zhì)[10]等。

生焦作為瀝青在350～450 ℃液相炭化的產(chǎn)物，含碳量高達(dá)90%，是一種重要的活性炭前驅(qū)體[11]。根據(jù)碳化過(guò)程中原料以及工藝條件等的不同，生焦可以分為瀝青焦、石油焦和針狀焦。然而，目前以生焦為碳前驅(qū)體制備超級(jí)電容器活性炭電極時(shí)，前驅(qū)體物化性質(zhì)對(duì)其活性炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能的影響缺乏系統(tǒng)和深入的研究。

因此，以兩種生焦(瀝青焦和石油焦)為碳前驅(qū)體，以KOH為活化劑，在相同的活化工藝參數(shù)下，制備了活性炭電極材料，結(jié)合TG和XRD等分析技術(shù)手段深入探討了兩種生焦結(jié)構(gòu)差異對(duì)其衍生活性炭結(jié)構(gòu)的影響，并考察了所制備的活性炭作為超級(jí)電容器電極時(shí)的電化學(xué)性能。……