铜_活性炭复合材料的电化学性能研究.pdf

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1、万方数据第14卷第2期2008年5月电化学ELECTROCHEMISTRYV01．14No．2May2008文章编号：1006-3471(2008)02-0140-06铜／活性炭复合材料的电化学性能研究李兰廷，解强+，颜文，王艳艳，邢雯雯(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083)摘要：电极材料的开发与完善是提高电容器性能的主要途径之一．本文以烟煤为炭质原料、硝酸铜为添加剂催化制备了铜／活性炭复合材料，并对氧化铜电极、活性炭电极和铜／活性炭复合材料电极进行了循环伏安、交流阻抗和电压保持能力等电化学性能测试．结果表明，活性炭中含有适量的铜可与

2、活性炭产生协同效应，铜／炭复合材料的电容量高于纯氧化铜电极和活性炭电极的电容量之和，含铜20％的活性炭比电容量可达67．5F／g，是同样条件制得的无铜活性炭比电容量的1．72倍；含铜活性炭具有较好的循环性能、容量特性和较小的阻抗；但其开路电压的自保持性能有待进一步改善．关键词：硝酸铜；活性炭；电极；电化学性能中图分类号：TM53文献标识码：A电化学电容器(EC)也称超级电容器，它兼有双电层电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优势，且寿命长、环境友好，在很多领域具有潜在的应用价值．研究表明[1-5]，电极材料是制约电容器性能的关键因素，目前研究和实用较多的

3、电极材料是金属氧化物和多孔炭．多孔炭主要产生双电层电容，且多为碳纳米管、炭气凝胶等，其制备原料和工艺条件要求较苛刻，而以价廉易得的煤基活性炭作为电极材料的研究则较少．金属氧化物如RuO”IrO：等，主要产生的是法拉第准电容，其比电容虽然较高，但因是贵重金属，价格上难以承受；虽有将贱金属成分负载到成品活性炭上的研究，但也存在工艺繁琐、耗时耗能且活性炭孔隙易被堵塞的问题∞。14。．既然金属化合物对活性炭孔隙的产生具有催化作用[15．18】，而残留的金属又可产生准电容效应，本文即以廉价易得的煤为炭质原料，硝酸铜作为添加剂，应用催化活化法制备含铜活性炭(铜／活性炭

4、复合材料)，进而制得电极，并重点考察其电化学特性．1实验1．1样品的制备及其特性含铜活性炭复合材料制备：以大同烟煤、煤焦油、铜盐溶液按不同比例配方，室温下捏合、挤压成型、干燥，在600℃氮气保护下炭化，然后升温至850℃通水蒸汽活化即得．样品的比表面积和孔结构用N：吸附法测定，结果如表1所示．如表可见，不同含铜量的电极原料，其孔隙结构和比表面积存在明显的差别．此必然导致它们在电化学性能上的差异．1．2电极的制备与电化学性能测试将上述样品过200目筛，按质量比80％(样品)：10％(CB)：10％(r'ITE)，添加炭黑(CB)和聚四氟乙烯(PTFE)，另加

5、少量乙醇，充分混合均匀并干燥，压在钢丝网上制成圆片状电极，电极的表面积为lcm2．使用CHl660a电化学工作站(上海辰华)作循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗及开路电压保持等电化学性能测试，并根据放电曲线按式(1)计算电极比电容量．C=(Jr×At)／mAV(1)式中，，为放电电流(A)，At是放电时电压收稿日期：2007—12-03，修订日期：2008-01-07·通讯作者，Tel：(86-10)62331014。E．mail：dr-xieq@163．tom高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060290006)资助万方数据第2期李兰廷等：铜／活性炭

6、复合材料的电化学性能研究表1氧化铜、活性炭及铜／活性炭复合材料的孔结构特征Tab．1PropertiesofporestructurefortheCuO，ACandCu／ACcompositematerials1．CuO，obtainedbyealainationat300。GofCu(OH)2preparedbydepositing·precipitating，washinganddrying．2．Yield，outputofmaterials．△y(y)时的放电时间(s)，m为电极材料的用量(g)．2结果与讨论2．1电极的循环伏安特性图l是CuO电极、

7、AC电极、AC—Cu一1电极和AC—Cu-2电极的CV曲线，扫描电压区间为一0．6—0．6V(AC电极为一0．5一O．6V)，扫描速率10mV／s．如图可见，AC电极的CV曲线类似扭曲的平行四边形，表明具有较大比表面积的AC电极主要产生的是双电层电容．CuO电极的CV曲线在0．1V附近出现一明显的突峰，且该曲线所包容的面积较小，说明比表面积较小的CuO电极主要产生的是电容量较小的氧化还原准电容．而具有较多中孔的AC—Cu一1电极和AC—Cu-2电极在0．1—0．2V区间也显示明显的突出峰，其峰值随着铜含量的增加而更突出，曲线面积增大，即对应的电容量增大．可

8、见这两种电极的电荷储存，是以双电层机制为主，但也含有一定比例的氧化