竹基活性炭的制備及電化學(xué)性能研究

楊勝杰，張曉麗，路永廣

(河南省核力科技發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000)

超級電容器具有高功率性、長循環(huán)壽命、低溫性能好等特點[1-2]。能滿足一些設(shè)備對高功率、極寒使用條件的要求，尤其適合作為軍方特種裝備的備用電源。

以竹子作為活化原料，采用碳化-活化兩步法制備超級電容器活性炭材料，活化階段分別以氫氧化鉀、磷酸、氯化鋅為活化劑，惰性氣氛保護下，制備活性炭。通過實驗對比，研究不同活化劑對超級電容器炭材料電化學(xué)性能的影響[3]。

1 實驗

1.1 試劑

氫氧化鉀，天津產(chǎn)，分析純；磷酸，西安產(chǎn)，分析純；氯化鋅，河北產(chǎn)，分析純；導(dǎo)電性乙炔黑，河南產(chǎn)，99.9%；黏接劑聚偏氟乙烯，廣州產(chǎn)，99.9%；鋁箔，青島產(chǎn)，>99.9%；紙質(zhì)膜，日本產(chǎn)，電子級；電解液為1 mol/L LiClO4/PC，張家港，電子級。

1.2 炭的制備

以竹子為原料，在一定的溫度，惰性氣氛保護下，將切成段的毛竹放入管式爐中炭化后，得到炭材料。

1.3 活性炭的制備

將制得的炭材料分別采用氫氧化鉀、磷酸或氯化鋅為活化劑，按照一定的比例混合均勻，在惰性氣氛保護下，于一定的溫度下活化一定的時間。產(chǎn)品沖洗至中性，干燥，得到活性炭。

1.4 電極制備及模擬電容的組裝

按活性炭∶導(dǎo)電性乙炔黑∶黏接劑聚偏氟乙烯=8∶1∶1比例研磨均勻，用有機溶劑合成膏狀，涂覆于鋁箔上，干燥、壓制成型；隔膜為紙質(zhì)膜，組裝成模擬電容器待測。

1.5 電化學(xué)性能測試

常溫下，對模擬電容器的直流恒流充放電、交流阻抗及循環(huán)伏安性能進行測試。單電極的克比電容

由式(1)計算得到。

C=2It/(△V·m)

(1)

式中：C是單電極克比電容，F(xiàn)/g；I是放電電流，mA；t是放電時長，S；△V是放電階段電壓降，mV；m是單電極片活性炭質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 交流阻抗測試

具有明顯電容特性的多孔電極，其交流阻抗圖譜特征是中頻段為傾角45°的直線，低頻段呈接近垂直于實軸的直線[4]。圖1表現(xiàn)出明顯多孔電極阻抗特征，說明制備的材料具備明顯的電容特性。

2.2 首次充放電曲線

采取電流密度100 mA/g恒流充放電，制備材料的充放電曲線如圖2所示。以氯化鋅和氫氧化鉀作為活化劑所制備的材料放電初期電壓降接近，放電曲線均平滑，說明兩者制備的材料極化內(nèi)阻小，電容性能好；磷酸活化的材料最差。

圖1 交流阻抗圖譜

圖2 恒流充放電曲線

2.3 循環(huán)性能測試

采取電流密度100 mA/g，測試材料的循環(huán)壽命，循環(huán)2 500次如圖3所示。由圖3可知，以氫氧化鉀為活化所得材料，首次放電容量247.0 F/g，第二次放電比電容244.2 F/g，容量保持率98.9%，說明制備材料的孔徑合適，電容性能最佳；2 500次循環(huán)后比電容為243.9 F/g，容量保持率為99.9%，遠高于其他兩款材料的97.8%、96.7%。

2.4 漏電流測試

圖3 循環(huán)性能測試

圖4 漏電流測試

材料的漏電流測試，首先恒流充電至2.0 V，保持恒壓2.0 V充電，電流會迅速下降，記錄此過程的電流-時間曲線。由圖4可知，時間接近200 s后電流趨于平緩，時間達1 800 s時電流恒定，此后電流為電容器的維持電流，用于抵消電容器因為炭材料、電解液和元器件等因素造成的電流損耗，此電流即為所測漏電流。

如圖4所示，以磷酸、氫氧化鉀、氯化鋅為活化劑制備材料的漏電流分別是0.227、0.117、0.175 mA，氫氧化鉀活化劑制備材料的漏電流最小。說明氫氧化鉀活化劑制備材料的模擬電容更穩(wěn)定，所得材料的電容性能最佳。

3 結(jié)論

通過實驗對比，分別采用氫氧化鉀、磷酸、氯化鋅作為活化劑，制備的竹基超級電容器用活性炭，交流阻抗測試表明材料具有明顯的電容特性；組裝的測試電容漏電電流分別為0.117、0.227、0.175 mA，2 500次循環(huán)后比電容分別為244、221、232 F/g，容量保持率分別為99.9%、97.8%、96.7%。由以上數(shù)據(jù)可知，以氫氧化鉀為活化劑制備出的炭材料電化學(xué)性能最佳，最適合制備以竹子為原料的超級電容器用活性炭材料。