活性炭超级电容器的电化学行为省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

活性炭超级电容器电极电化学行为第1页0102活性炭超级电容器介绍活性炭制备目录03电化学测试第2页1.1超级电容器介绍超级电容器是一个介于传统电容器和电池之间新型储能元器件，含有超大容量及快速贮存和释放能量特点。双电层电容器电极材料需要高比表面积电极材料，所以活性炭成为制作超级电容器理想材料。第3页1.2活性炭介绍普通活性炭中微孔(孔径2 nm)占据很大百分比。这些微孔无法被大量电解质离子润湿形成有效双电层，从而大大降低了有效比表面积。另外，活性炭材料微孔不利于电解质离子快速、有效地传输，而降低电容器大电流充、放电能力。介孔碳以其有序介孔结构能有效降低离子传输电阻，含有独特表面特征。它主要特点为：（1)含有规则孔道结构，孔道大小均匀、排列有序；（2）孔径分布窄；（3）具大比表面积和孔容；（4）含有很好热稳定性和化学稳定性；（5）颗粒含有规则外形，且可在微米尺寸内保持高度孔道有序性。第4页2.1 原料预碳化作为制备活性炭含碳量高原料除了含有碳元素还有一些非碳元素，如氧、氢、氟、硫等元素。这些元素含量高低和化学结构状态都能影响活性炭性能。碳化是将原料在保护气氛下加热处理，使原料发生热分解。碳化过程是伴伴随非碳元素排出过程，这些元素普通以气体形式排出，如氧气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等。碳化温度和碳化时间是影响碳化程度和最终得到活性炭性能主要条件，这两个条件能对活性炭收率、比表面积、孔容积、孔径分布等性能产生重大影响。第5页2.2 温度对碳化影响碳化温度是活性炭制备过程中影响原因之一，伴随碳化温度升高活性炭比表面积也有对应提升，不过当到达最正确碳化温度时，温度继续升高反而使活性炭比表面积又降低了。这种现象是因为挥发分随温度升高而降低，碳化温度过低时，碳化原料挥发分难以排出，活化过程中反应活性小，不利于有机物碳化，因而不易有孔结构形成。伴随温度升高，碳化程度得到了提升，挥发分逐步降低，活化性能提升。不过碳化温度升高也会使活性炭收率降低，灰分百分比增加，所以温度过高也会造成原来孔结构遭到破坏，比表面积下降。碳化温度过高造成活性炭收率降低主要原因有两点：其一温度越高，生物质热解越充分；其二是形成焦炭残留物发生了二次分解。第6页2.3 时间对碳化影响康捷等在用棉秆制备活性炭一文中对碳化时间对活性炭性能影响进行了研究，结果表明：在400下活化，碳化时间延长至180min，此阶段内活性炭吸附性能得到了提升，但碳化时间从180 min延长至240 min，吸附性能没有显著增强，所以碳化温度为400，碳化时间为180 min为最正确条件。碳化时间越长，挥发分逸出而留下孔隙越多，炭化越充分，利于有机物成炭，降低堵塞孔焦油，利于微孔形成。不过当碳化完全之后，碳化时间延长对活性炭影响不再显著。第7页2.4活化方法 活化反应用氧化气体或化学物质做氧化剂去除孔隙中杂质，扩大炭化料在炭化过程中产生孔隙和产生新微孔，进而提升了孔容积和比表面积。物理活化法 活化方法 化学活化法第8页2.5 化学活化法活化剂：KOH,H3PO4,ZnCl2等控制原因：活化剂种类、活化温度、活化时间、活化剂百分比等适当活化剂原料炭化活化剂中浸泡活化活性炭第9页目录3.1 循环伏安测试图图1不一样扫描速度下电极循环伏安谱图不一样扫描速度下电极循环伏安谱图 如图 1所表示，在 520 mV/s扫描速度下对正负极进行循环伏安测试，能够看出，在低扫描速度下，负极、正极循环伏安曲线基本上为矩形，表明具备良好电容特征。伴随电位扫描速度增加，负极矩形形状基本不变，而正极则发生了变形，说明负极电容特征相对稳定。第10页3.2 交流阻抗测试图图2 电极交流阻抗谱图电极交流阻抗谱图 可见，负电位下阻抗谱图由高频区半圆弧和低频区近似垂直于 Z轴直线组成，表明负电位下活性炭材料出现“电荷饱和”，即此时电极中储存大部分电容量均可得到利用，所以含有良好电容特征。而正电位下阻抗图谱由高频区小半圆弧和低频区大半圆弧组成。正、负电位下阻抗图中高频区半圆出现主要是因为活性炭表面含氧基团与电解质中离子发生电极反应，所以产生电荷转移电阻 Rr。第11页3.3 比容量测试图图3 电极电极Bode谱图谱图 如上图，在低频区，正负极相角值随频率增加而减小很快 第12页图图4 正负极比容量与频率关系正负极比容量与频率关系 该频率下电极比电容较 大，且几乎保持不变。而且，正负极分别在211mHz和8.07m Hz分别出现了一个峰,表明在低频区正、负极上分别有电极反应发生3.3 比容量测试第13页3.4 电极自放电测试图图5 电极自放电曲线电极自放电曲线 将超级电容器恒流充电到 1.2V后静止，考查正负极自放电曲线，如图所表示，能够看出，正极放电过程主要集中在初始阶段前92min内,从0.3v快速下降到0.05V，在接下来过程中电位基本不变。而负极自放电速率相对平稳，从-0.9渐下降-0.07V。第14页3.4 电极自放电测试 对自放电曲线一次求导dE/dt,可得到电极自放电速率，结果如图所 示,能够看出，负极自放电速率大于正极,说明超级电容器自放电速率由负极决定。图图6 电极自放电速率曲线电极自放电速率曲线第15页Thank you!第16页