孔结构对煤基活性炭电极材料电化学性能的影响.pdf

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1、第2 5 卷第2 期新型炭材料V 0 1 2 5N o 22 0 1 0 年4 月N E WC A R B O NM A T E R I A L SA p r 2 0 1 0A r t i c l eI D：1 0 0 7-8 8 2 7(2 0 1 0)0 2-0 1 2 9-0 5E f f e c to fp o r es t r u c t u r eo nt h ee l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fc o a l b a s e da c t i v a t e dc a r b o n si nn o n-a

2、q u e o u se l e c t r o l y t eZ H A N GC h u a n x i a n 9 1”，Z H A N GR u i l，X I N GB a o l i n 2，C H E N GG u 0 1，X i eY i n g b 0 1，Q I A OW e n m i n 9 1，Z H A NL i a n 9 1，L I A N GX i a o y i l，L I N GL i c h e n 9 1(1 S t a t e K e yL a b o r a t o r yo f C h e m i c a l E n g i n e e r i

3、n g，E a s tC h i n a U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，S h a n g h a i2 0 0 2 3 7，C h i n a；2 S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y，J i a o z u o4 5 4 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：A n t h

4、r a c i t ew a sa c t i v a t e db yN a O Ht op r e p a r eh i g h p e r f o r m a n c ea c t i v a t e dc a r b o n sa se l e c t r o d e sf o re l e c t r i cd o u b l e-l a y e rc a p a c i t o r s n ep o r o u ss t r u c t u r ea n de l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft

5、h ec a r b o n sw e r ei n v e s t i g a t e db yn i t r o g e ns o r p t i o na n de l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d s T h ee f f e c to fp o r es t r u c t u r eo nt h ee l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec a r-b o n si nalm o V L(C 2H 5)4N B F 4 p r o p y l e n ec a r

6、 b o n a t e(P C)e l e c t r o l y t ew a si n v e s t i g a t e d ma s-p r e p a r e da c t i v a t e dc a r-b o n se x h i b i tl a r g es u r f a c ea r e a s(9 4 3-2 4 7 9 m 2 以)a n dh i g l l s p e c i f i cc a p a c i t a n c e s(5 7 1 6 7 F g)n es p e c i f i cc a p a c i t a n c ed e p e n d

7、 sn o to n l yo nt h es u r f a c ea r e a，b u ta l s oo nt h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o n(P S D)o ft h ec a r b o n P o r e sw i t has i z eo f2-3n n la r ec r u c i a lf o rt h ei o n st op e n e t r a t ei n s i d et h e mf o rt h e(C 2H 5)4N B F 4 P Ce l e c t r o l y t e S p e c i f i

8、 cc a p a c i t a n c ei sh i g h e ra n di m p e d a n c ei sl o w e rf o rt h es a m p l ew i t haw i d e rP S Dd u et ot h ef a c tt h a te l e c t r o l y t ei o n sc o u l de a s i l ye n t e rt h ep o r e s K e y w o r d s：A c t i v a t e dc a r b o n；E l e c t r i cd o u b l e l a y e rc a p

9、a c i t o r s；E l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c e；P o r es t r u c t u r eC L cn u m b e r：T Q4 2 4 1例9 1 1 1 5D o c u m e n tc o d e：AlI n t r o d u c t i o nE l e c t r i cd o u b l e 1 a y e rc a p a c i t o r s(E D L C s)a r ep r o m i s i n gh i g hp o w e re n e r g ys o u r c e

10、 sf o rm a n yd i f f e r-e n ta p p l i c a t i o n s，w h e r eh i g hp o w e rd e n s i t y，h i g hc y-c l ee f f i c i e n c ya n dl o n gc y c l el i r ea r en e e d e d【l-5 j A m o n gv a r i o u sa v a i l a b l ec a n d i d a t em a t e r i a l sf o rE D L C s。a c t i v a t e dc a r b o n sa

11、r em o s t l yi n v e s t i g a t e d，o w i n gt ot h e i ra d v a n t a g e s，s u c ha sl a r g es p e c i f i cs u r-f a c ea r e a，g o o de l e c t r i cc o n d u c t i v i t y，e x c e l l e n tc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dr e l a t i v e l yl o wp r i c et4-7J A c t i v a t e dc a r b o

12、n sc a nb ep r e p a r e df r o mav a r i e t yo fs t a r t i n gm a t e r i a l s A m o n gaw i d er a n g eo fp r e c u r-s o r s a n t h r a c i t ei si n t e r e s t i n gf o rt h e i ra b u n d a n c e，l o wc o s t。h i g hc a r b o nc o n t e n ta n di t sa l r e a d y-e x i s t i n gm i-c r o

13、p o r e s t 8 J 2 J A c t i v a t e dc a r b o n sC a l lb ep r e p a r e db yv a r i o u sm e t h o d s，a m o n gw h i c h，c h e m i c a la c t i v a t i o ni sv e r ye f f i c i e n t。o w i n gt ot h ea d v a n t a g e s，s u c ha s as i n g l e s t e pp r o c e s s，ah i g hb u r n o f fw i t h i n

14、s h o r tt i m e，v e r yh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e a s w e l l d e v e l o p e dm i-c r o p o r o s i t yw i t hac o n t r o l l e dm i c r o p o r es i z ed i s t r i b u d o n A m o n gt h ec l a s s i c a lr e a g e n t su s e df o rc h e m i c a la c t i v a t i o n，a l k a l ih y

15、d r o x i d e ss e e mt ob et h eo n e，b yw h i c ht h em i c r o p o r o s i t yo ft h ea s p r e p a r e da c t i v a t e dc a r b o n si st h em o s td e v e l o p e d S o d i u mh y d r o x i d ew a ss h o w nt ob ep a r t i c u l a r l yi n t e r e s t i n gb e c a u s eo fi t sl o wc o s t s i

16、 m p l eh a n d l i n ga n dl o wc o r r o d i n ga c t i o n T h es p e c i f i cc a p a c i t a n c eo fc a r b o nm a t e r i a li sc o r r e l a t e dt oi t ss u r f a c ep r o p e r t i e s，s u c ha ss u r f a c ea t -e aa n dP S D T h u s t a i l o r i n gt h ep o r o u ss t r u c t u r e so f

17、c a r b o nm a t e r i a l si sa ni m p o r t a n ts t e pf o rE D L Co p t i m i z a t i o n H o w e v e r。t h ee x a c tm e c h a n i s mo fi o nt r a n s p o r tw i t h i np o r o u st e x t u r e si sv e r yc o m p l e x，b e c a u s et h ec o n n e c t i v i t y，s i z ed i s t r i b u t i o na n

18、 ds h a p eo ft h ep o r e s w h i c hm a yb ed e t e r m i n e db yt h ep r e c u r s o ro rp r o c e s s i n gm e t h o d。h a v et ob ec o n s i d e r e d 1 1 1t h i sp a p e r，a c t i v a t e dc a r b o n sw e r ep r e p a r e df r o ma n t h r a c i t eu s i n gN a O Ha sa na c t i v a t i n ga

19、g e n t T h ei n f l u e n c e s o fp o r es t r u c t u r eo ne l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fa c t i v a t e dc a r b o n sw e r es t u d i e d 2E x p e r i m e n t a l2 1S a m p l e sp r e p a r a t i o nA c t i v a t e dc a r b o n sw e r eo b t a i n e db yN a O Ha c t i R e

20、c e i v e dd a 钯：2 0 0 8 旬8 4)4；R e v i s e dd a t e：2 0 1 0 扣3 2 4F o u n d a t i o ni t e m：N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(5 0 6 7 2 0 2 5。5 0 r 7 3 0 0 0 3)C o r r e s p o n d i n ga u t h o r：Z H A N GR u i：z h a n g r u i d a v i d y a h o o c o r n；L I

21、 N GL i-c b e n g：l c h l i n g e c u s t e d u c n F a x：+8 6-2 1-6 4 2 5 2 9 2 4A u t h o ri n t r o d u c t i o n：Z H A N GC h u a n x i a n g(1 9 7 0 一)，m a l e，P h D，A s s o c i a t ep r o f e s s o r。e n g a g e di nt h er e s e a r c ho fc a r b o nm a t e r i a l sf o re l e c t r o-c h e m

22、i c a ld o u b l el a y e rc a p a c i t o r s E r n a i l：z c x 2 2 3 h p u e d u c nE n g l i s he d i t i o na v a i l a b l eo n l i n eS e i e n c e D i r e c t(h t t p：w w w s c i e n e e d i r e c t c o r n s c i e n c e j o u r n a l 1 8 7 2 5 8 0 5)D o I：l O 1 0 1 6 S 1 8 7 2-5 8 0 5(0 9)6

23、0 0 2 0 2万方数据1 3 0 新型炭材料第2 5 卷v a t i o n o fa n t h r a c i t ef r o mT a i x im i n e A n t h r a c i t ew a sm i l l e da n ds i e v e dt ot h eg r a i ns i z eo f10 0 一l8 0t x m T h ea n t h r a c i t ew a sm i x e dw i t ha c t i v a t i n ga g e n ta tar a t i oo fN a O H：a n t h r a c i t e=(

24、1 4)：1 T h em i x t u r ew a sa c t i v a t e da t1 0 2 3 Kf o r1hi naf l o wo f N w i t hah e a t i n gr a t eo f5K m i n A f t e ra c t i v a t i o n。t h er e a c t o rw a sc o o l e dd o w nt or o o mt e m p e r a t u r ei naf l o wo fn i t r o g e n T h er e s u l t i n gp r o d u c t sw e r et

25、a k e no u ta n dw a s h e dw i t h5m 0 1 LH C la n dt h e nd e i o n i z e dw a t e ru s e dc a r e f u I l yt or e m o v et h er e m a i n e dr e s i d u a lK O H K 2 C 0 3，K 2 0，Ka n da s h，w h i c hw e r ef i n a l l yd r i e da t3 8 3Kt oo b t a i na c t i v a t e dc a r b o n s T h es a m p l

26、e sa c t i v a t e db yd e f e r e n tm a s sr a t i oo fN a O H：a n t h r a c i t e=1 4i sr e f e r r e dt oa sA C l 一A C 4 2 2N，s o r p t i o nm e a s u r e m e n t sB E Ts u r f a c ea r e aa n dt o t a lp o r ev o l u m eo fa c t i v a t e dc a r b o nw e r em e a s u r e dt h r o u g hn i t r o

27、 g e ns o r p t i o ni s o t h e r ma tal o wt e m p e r a t u r eo f7 7K(M i c r o m e t r i c sI n s t r u m e n t s A S A P2 0l0)P S Do fa c t i v a t e dc a r b o n sw a se v a l u a t e db yt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y(D F T)C a r b o n，h y d r o g e na n dn i t r o g e nc o

28、 n t e n t so fa n t h r a c i t ew e r ed e t e r m i n e du s i n ga ne l e m e n t a la n a l y z e r(V a r i oE LI I I。E l e m e n t a rI n s t r u m e n t s I n c。G e r m a n y)B e f o r et h ea n a l y s i s a l lt h es a m p l e sw e r ed r i e da t3 8 3Kf o ra b o u t1h i na i r 2 3E l e c t

29、 r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n t sT h ec a r b o ne l e c t r o d ew a sp r e p a r e da c c o r d i n gt oa n8 5：5：1 0(m a s sr a t i o)A C：P r r F E：C Bc o m p o s i t i o n，i nw h i c hA Cs t o o df o ra c t i v a t e dc a r b o n p o l y t e t r a f l u o r o e t h l y e n e(P r r F E)w

30、 a su s e da s ab i n d e ra n dc a r b o nb l a c k(C B)w a su s e da s ac o n d u c t i v ea g e n t T h ec a p a c i t o rc e l lw a sc o m p o s e do ft w oc a r b o ne l e c 一仃o d e ss a n d w i c h e db yas e p a r a t o ra n dc o n m i n e da no r-g a n i ce l e c t r o l y t i cs o l u t i o

31、 no flm o V L(C 2H 5)4N B F 4 P C T h ef i n a lc a r b o ne l e c t r o d ep e l l e tw e i g h tw a ss e ta tc a 3 0 m g G a l v a n o s t a t i cc h a r g e d i s c h a r g ec y c l i n gw a sc o n d u c t e do na ne l e c t r o c h e m i c a la n a l y z e r(A r b i n U S A)i nt h ep o t e n t i

32、 a lr a n g ef r o m0 0 5t o2 5V T h eg r a v i m e t r i cc a p a c i t a n c ew a sc a l c u l a t e df r o mt h ed i s c h a r g ep r o c e s so ft h ef i f t hc y c l eb a s e do ne q 1：C=2(氏)(m x A V)，(1)w h e r e，Ci st h es p e c i f i cg r a v i m e t r i cc a p a c i t a n c e(F g)，Ii st h e

33、c u r r e n td e n s i t y(A g)，A ti st h ed i s c h a r g et i m e(s)，mi st h em a s so fas i n g l ee l e c t r o d e(s)a n d yi st h ep o t e n t i a lc h a n g e(V)d u r i n gt h ed i s c h a r g ep r o c e s se x c e p to h m i cd r o p C y c l i cv o l t a m m e t r ym e a s u r e m e n t sw e

34、 r ep e r-f o r m e du s i n gt h es a m ec e l ll a y o u t sa n dp o t e n t i a lr a n g e s w i t hap o t e n t i a ls c a nr a t eo f1 3 0m V s E l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y(E I S)w a sr e c o r d e db yaG a m r yI n s t r u m e n t sE l e c t r o c h e m

35、 i c a lS y s t e m(G e r m a n y)i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f1 0 0k H zt o10m H z A l lt h ee l e c t r o c h e m i c a lt e s t sw e r ep e r-f o r m e da tr o o mt e m p e r a t u r e 3R e s u l t sa n dd i s c u s s i o n3 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo fa n t h r a c i t eR e s u l

36、 t so fa p p r o x i m a t ea n du l t i m a t ea n a l y s i so fa n t h r a c i t e(T a i x i)a r eg i v e ni nT a b l e1 T h ea n t h r a c i t eh a sah i g hc o n t e n to fCa t o m s Al o wc o n t e n ti nb o t hHa n dOa t o m si se x p e c t e dt oh a v eah i g hd e g r e eo fa r o m a t i z a

37、 t i o n w h i c hi sas u i t a b l ep r e c u r s o rf o ra c t i v a t e dc a r b o n s T a b l e1A p p r o x i m a t ea n dU l t i m a t ea n a l y s i so fT a i x ia n t h r a c i t e(w)!竺型!生!型竺!生!丝坚坐竺!：盏竺堑T a i x il 5 52 3 26 7 88 9 3 5 9 1 8 63 6 13 7 70 7 6$b vd i f 传r e n t3 2P O r o i l st

38、e x t u r eo fa c t i v a t e dc a r b o n sT h en i t r o g e n a d s o r p t i o n d e s o r p t i o ni s o t h e r m sa r es h o w ni nF i g 1 T h e i rs h a p e sc o n f i r mt h em i c r o p o r o u sn a t u r eo ft h ec a r b o n s T h et e x t u r a lp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t

39、e da n ds u m m a r i z e di nT a b l e2f r o mt h en i t r o g e ni s o t h e r m s T h er e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h es u r f a c ea r e aa n dp o r ev o l u m ei n c r e a s ew i t l lN a O I-I a n t h r a c i t er a t i o T h em a x i m u ms u r f a c ea r e aa n dp o r ev o l u m ew a

40、s24 7 9 1 9m 2 ga n d1 4 1c m 3 g，r e s p e c t i v e l y F i g 2s h o w st h eP S Do ft h ea c t i v a t e dc a r b o n s A 1 1t h ep o r es i z e so fA C1w e r eb e l o w2n m i n d i c a t i n gt l a tA Clw a sm i c r o p o r o u s W i t ht h ei n c r e a s e o fN a O H a n t h r a c i t er a t i

41、o。t h eP S Db e c o m e sw i d e r t h ep e a kv a l u eo fm e s o p o r e sw i t hp o r es i z e sb e t w e e n2a n d5n ma l s oi n c r e a s e do b v i o u s l y a n dt h em e s o p o r ev o l u m er a t i oo fa c t i v a t e dc a r b o ni n c r e a s e df r o m9 6 2t o5 8 8 7：口EU3R e l a t i v ep

42、 r e s s u r eP P DF i g IA d s o r p t i o n d e s o r p t i o ni s o t h e r m so ft h ea c t i v a l e dc a r b o n s万方数据第2 期Z H A N GC h u a n x i a n ge ta l：E f f e c to fp o r es t r u c t u r eo nt h ee l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo f 131 T a b l e2P o r o u sp a r a m e

43、t e r so ft h ea c t i v a t e dc a r b o n sS a m p l em N a O H：“c。a lS B E T m 2 g 一。v t c m 3 g 一1V m i c c m 3 g 一1V i n e s c m 3 g 一。(m i F l 一)C F g 一1A C ll9 4 40 5 20 4 70 0 51 05 7A C 2A C 3A C 42341 4 9 32 0 1 32 4 7 9O 8 51 1 31 4 10 6 70 7 4O 5 8O 1 8O 3 90 8 32 73 55 91 3 51 5 31 6 7P

44、 o r ew i d t hD，n mF i g 2P o r es i z ed i s t r i b u t i o n so ft h ea c t i v a t e dc a r b o n s3 3E l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s3 3 1E f 琵c to fp o r es t r u c t u r eo nc a p a c i t a n c eT h ec y c l i cv o l t a m m e t r i ct e s t so nt h et w o e l e c t

45、 r o d ec a p a c i t o r sw e r e c o n d u c t e dw i t h i nap o t e n t i a lr a n g eo f 0t o2 5 Va tas c a nr a t eo f 2 m V s T h ec y c l i cv o l t a m m o g r a m so ft h e a c t i v a t e dc a r b o n sa r es h o w ni nF i g 3 T h ec y c l i cv o l t a m m o g r a mo fA C le x h i b i t s

46、c l e a r l yd e f o r m e da s y m m e t r i cr e c t a n g u l a rs h a p e w h i c hc o u l db ea s c r i b e dt oad i f f i c u l ts o r p t i o no f i o n sd u et oi t sn a r r o wP S Da n dam o r ed i f f i c u l ts o r p t i o no ft h eT E A+c a t i o nh a v i n gab i g g e rs i z ei nc o m p

47、 a r i s o nt ot h eB F。a n i o n T h ec y c l i cv o l t a m m o g r a m so fA C 2 A C 4e x h i b i ts i m i l a rr e c t a n g u l a rs h a p e，i n d i c a t i n gt h e i rg o o dc a p a c i t i v eb e h a v i o r T h i sc o u l db ea c c o u n t e df o rb yt h e i rw i d e rp o r es i z ei nw h i

48、 c he l e c t r o l y t ei o n sc o u l dp e n e t r a t ee a s i l yi n s i d et h ep o r o s i t y C匕3oV o l t a g eV l VF i g 3C y c l ev o l t a m m o g r a m so fa c t i v a t e dc a r b o n s(5 c a J _ 1r a t e：2 m V s)As u d d e np o t e n t i a ld r o pa tt h ev e r yb e g i n n i n go ft h

49、ec o n s t a n tc u r r e n td i s c h a r g ei su s u a l l yo b s e r v e df o rE D L C sa n dt h i sd r o ph a sb e e nd e s i g n a t e da st h eI Rd r o p。w h i c hc a r lb ea t t r i b u t e dt ot h er e s i s t a n c eo fe l e c t r o l y t es o l u t i o na n dt h ei n n e rr e s i s t a n c

50、 eo fi o nd i f-f u s i o ni nc a r b o nm i c r o p o r e sL lJ T h el a t t e rU S U a l l yh a sah i g hc o n t r i b u t i o nt o 廿l ew h o l eI Rd r o p G a l v a n o s t a t i cc h a r g e d i s c h a r g ec u r v e so ft h ec a r b o ns a m p l e sa tc u r r e n td e n s i t yo f4 0m A ga r e