稻壳多孔碳材料的电容性能及模型计算.pdf

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1、Vo1．34高等学校化学学报No．32013年3月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES674～678doi：10．7503／cjcu20120481稻壳多子L碳材料的电容性能及模型计算闻斌，魏双，施展，林海波，陆海彦(1．吉林大学化学学院，2．无机合成与制备化学国家重点实验室，长春130012)摘要采用NaOH和HPO化学活化法，由廉价的稻壳制备了2种高比表面积的介孔活性碳，测试了其比表面积和平均孔径，利用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试了其电化学性能，其比电容分别达到145．8和168．5F／

2、g．利用一种多分支的三级孔道模型对其进行交流阻抗谱拟合，拟合结果符合度较高，表明该模型对分析活性碳电极结构有一定指导意义．关键词电化学电容器；稻壳活性碳；电化学交流阻抗谱；模型计算中图分类号0646文献标志码A电化学电容器是近几年兴起的清洁储能元件，其特性介于传统电容器与电池之间，它利用双电层原理或快速表面氧化还原反应来储存能量-1j，具有功率密度高，循环寿命长，成本低等特点，主要作为后备电源广泛应用于电动汽车、风力发电及工业制造等领域I3J．碳材料如碳纳米管J、介孔碳_5和活性碳是超级电容器的主要电极材料，目前多孔碳材料特别是高比

3、表面积活性碳在电化学电容器中应用广泛，也最具商业前景．高比表面积是提高电容的主要因素，且活性碳材料还可与其它有赝电容性能的过渡金属氧化物组成不对称电容器以提高其能量密度J．但是碳材料电容性能的提高不能单纯依靠增大材料的比表面积，由于比电容通常不与比表面积呈线性关系，所以孔的物理参数如孔径及孔径分布’m等因素都影响了活性碳的电容性能．微孔可以大幅度增加碳材料的比表面积，但是适度的介孔可提高碳材料表面积的利用率，提高碳材料的功率性能．传输线模型_】ll是电化学电容器等效电路模型中的一种，它的优点是存在RC时间常数分布，不同的充电或放电弛

4、豫时间与网络中每个电路单元的R和c的取值有关．Levie_1提出了圆柱孔模型内壁的传输线模型阻抗公式Z=√RZcoth~／R*．1X／Z，z=z一／7rD，R=p／A(其中X表示单个孔的孔深，D表示孔的直径，z一表示单位面积的阻抗，z表示单位长度的阻抗，z表示单个孔的阻抗，R表示单位长度的溶液电阻，P为比电阻，A为单个孔的横截面积)．将圆柱形孔沿着深度方向分为Ⅳ段，则单位面积的阻抗z一和单位长度的溶液电阻月二转变为每段的阻抗z和每段的溶液电阻．本文由廉价的稻壳经化学活化制备出高比表面积的介孑L活性碳，利用多分支的三级孔道模型进行交流

5、阻抗谱拟合，探讨了孔深度和孔直径等因素对交流阻抗谱的影响，通过对曲线的拟合分析了解阻抗谱与电极结构之间的关系．1实验部分1．1试剂与仪器NaOH，KOH，PO和无水乙醇均为分析纯，北京化工厂；聚四氟乙烯浓缩液(FE，质量分数60％)和乙炔黑(电池级)，深圳科晶智达科技有限公司．ASAP2010表面分析仪，美国Micromeritics公司；PARSTAT2273电化学工作站，美国PrincetoAppliedReseach公司．1．2实验过程1．2．1活性碳的制备NaOH活化法：将稻壳洗净，晾干，粉碎，经过100—120℃干燥后，在

6、300～收稿日期：2012-05—16．联系人简介：陆海彦，男，博士，副教授，主要从事电化学储能电极材料研究．E—mail：luhy@jlu．edu．1211闻斌等：稻壳多孔碳材料的电容性能及模型计算675450℃氮气保护下碳化．冷却后经研磨，过100目筛，作为稻壳碳原料．将稻壳碳和NaOH按碱／碳质量比为3：1混合后置于瓷坩埚中，在600℃氮气保护下分别活化30，60和90min，保温1h后随炉冷却，用去离子水洗涤至中性，烘干，记为N3，N6，N9，备用．H，PO活化法：将稻壳洗净，晾干，粉碎，研磨，与质量分数为85％的HP0溶液

7、按1：4～1：7(质量比)的比例混合，置于120℃下干燥后，将混合物置于100mL瓷坩埚中，分别在550，600和700℃氮气保护下碳化1～1．5h，用热去离子水洗涤至中性，烘干，记为P5，P6，P7，备用．通过氮气吸附实验，采用MicromeriticsASAP2010表面分析仪测试，在77K下测试活性碳样品的BET比表面积及孔径．1．2．2电化学测试将制得的活性碳、黏结剂FE和导电剂乙炔黑按质量比80：10：10制作成电极，压到泡沫镍上，烘干后，在三电极体系下，利用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试活性碳的电化学性能．工作电极为

8、活性碳电极，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，电解液为6mol／LKOH溶液．1．2．3传输线模型及阻抗分析多分支结构三级孔道多孔活性碳电极模型见图1．定义介孔分支数与微孔分支数的比值为b，大孔分支数与介孔分支数的比值为b：，为