超级电容器用活性炭的制备与电化学表征分析

江斌

天津清研微能科技有限公司 天津市 300304

摘要：本文将煤焦油沥青当作前躯体，用当前常用的化学活化法进行超级电容器用高比表面活性炭以及活性炭电极的制备，从中剖析了活化温度对活性炭电极比电容量所产生的影响，并对活性炭电极的充放电性能与活性炭材料的比表面积、孔结构之间的关联性，另外还对活性碳电极开展了电化学表征，望能为此领域研究提供些许借鉴。

关键词：活性炭；超级电容器；电化学表征

超级电容器实为一种多用且关键的储能器件，介于电容器与电池之间；现阶段，商用超级电容器所采用的电极材料多为高比表面活性炭材料，但是活性炭价格昂贵，已经成为对超级电容器持续发展造成限制的重要因素。所以，选用有较低价格的原材料，且尝试可控且简便的工艺来进行超级电容器用多孔活性炭的制备，至关重要。需要指出的是，化学活化是对高比表面多孔活性炭进行制备的常用且有效方法，活性炭的性能由特定的活化工艺及前驱体所决定，本文将煤焦油沥青当作前驱体，把KOH当作活化剂，用化学活化法进行超级电容器用高比表面活性炭的制备，且经恒流充放电对活性炭电极所对应的比电容量进行测定，从中剖析不同活化温度对电极比电容量所具有的影响，以及电极所具有的电化学表征，现就此探讨如下。

1.实验方法

1.1制备活性炭材料与表征分析

在不同温度下，按照1:4的质量比例（煤焦油沥青：KOH）进行活化，热处理指标：加热速率为每分钟5℃，氩气气流为每分钟60mL，保温时间为2h。在冷却出炉之后，首先用稀盐酸进行洗涤，然后再用去离子水将pH值降低至6.5。在干燥之后，用N₂吸附仪（Micro- 2000型）对活性炭电极材料所对应的孔隙结构、比表面积进行分析。

1.2制备活性炭电极与形貌表征

把PTFE（5%）、乙炔黑与自制活性炭按照5:10:80的质量比混合在一起，与此同时，将一些乙醇、去离子水加入其中，持续搅拌2h，反复碾压粘稠状电极活性浆料，且在特定压力下，把它碾压至事先准备好的泡末镍集流体上，各片电极的面积均为0.78cm²，载碳量是8~10mg/cm²，电极的厚度是0.50mm。

1.3活性炭电极所对应的电化学表征

电极所具有的电化学行为，通产情况下，会选用两电极的方式来实施测试，将KOH溶液（6mol/L）当作电解液。借助电化学工作站（由两部分组成，其一为锁相放大器，其二是EG＆G 270A恒电位仪）测试交流阻抗行为、电极的循环伏安以及电容器的充放电性能。

2.结果与讨论

2.1活化温度对于活性炭电极比电容量所产生的影响

需要指出的是，如果基于恒流充放电条件下，电压伴随时间的变化曲线存在显著的镜面对称特征。恒电流充放电曲线呈现为线性，提示充放电过程当中的表面电极反应具有非常好的可逆性。借助恒流充放电斜率，能够将活性炭电机所对应的比电容量计算出来，即210F/g。有研究指出，在每次充放电时，垂直段所对应的电压降实为由超级电容器的等效内阻导致，经估算，得知电极的等效串联内阻是0.9 /cm²。

在特定温度区间内（500~700℃），温度对活性炭电极所对应的比电容量有着比较大的影响，提示当温度＜700℃时，温度不仅对孔隙形成起到决定作用，而且还是比表面积增大的关键性因素。如果活化温度＞700℃，那么此时伴随活化温度的不断升高，活性炭电极材料所对应的比电容量未有明显增加，本文经深入剖析证实，活化温度以700℃最佳。

2.2电极比容量与多孔活性炭结构之间的关联性

有研究指出，前驱体加热活化过程囊括活化过程（活化剂作用下）、炭化过程（含碳物质下），而针对化学活化的具体机理来讲，当前仍没有确切定论，但许多学者强调，活化时，KOH嵌入碳层实为孔结构得以产生的常见诱因。如果活化温度维持在700℃，并且活化剂配比维持在4:1，此时经制备所得到活性炭的各项物理性能参数是：比表面积为1959m²·g^-1，孔容为1.037cm³·g^-1，中孔率为16.68%，比容量209F·g^-1。从中可发现，在经制备所得到的多孔碳材料当中，存在比较明显的孔道结构。另外，基于700℃温度下，经活化所制备出的活性炭电极的微孔孔径为1.05mm，并且中孔孔径在3.90nm时，会有一个峰值出现。

将活性炭电极的电流密度设定为10mA/cm²，开展充放电500次，从所得出的循环曲线中发现，在此些循环当中，存在显著的容量波动，究其原因，可能是因大电流充放电状态下，每一次充放电时，电解液渗入到微孔的数目以及占用微孔的比表面积存在差异，当完成300次的循环之后，电极所对应的比电容量在具体的衰减速率上会有明显降低；而在循环500次之后，活性炭电极仍能将＞90%的比电容量给保留下来。

2.3活性炭电极所对应的电化学表征

如果活性炭电极的电压区间为0~0.8V，绘制循环伏安曲线（不同扫描速率下），另外，还需要绘制电流随电压的响应曲线，然后依据公式将比电容量随电压的响应曲线给推导出来，公式为：C=2I/sm。在此公式当中，s所代表的是扫描速率，C代表的是比电容量（碳电极），m代表的是电极物质质量（单电极），I所代表的是响应电流。需要指出的是，如果单电极所对应的平均比电容量大于200F/g，那么其一致于充放电曲线经计算所得到的结果。基于所绘制的循环伏安曲线上，未发现氧化还原峰，提示静电吸附仍为活性炭电极储能的常用方式。针对循环伏安曲线来分析，其不仅有不错的可逆性，而且还有良好的电容特性，但需强调的是，因存在着许多微孔，在实际扫描时，会对双电层的形成以及电解液的润湿造成阻碍，最终导致ESR异常增高，并且还会造成循环伏安曲线的形状发生偏离。

3.结语

综上，将煤焦油沥青当作研究的前躯体，并且把KOH当作活化剂，基于Ar₂的持续保护下，以及在各种活化温度的驱使下，完成高表面积的制备，高比电容量所对应的超级电容器最终选择多孔活性炭。基于500~700℃这一温度区间中，伴随活化温度的持续升高，活性炭电极所对应的比电容量会有明显增大；如果＞700℃，那么此时伴随活化温度的持续增加，活性炭电极材料在具体的比电容量上不会有明显增加。另需指出的是，通过分析活性炭电极的交流阻抗谱发现，其有着不错的电化学特性。

参考文献：

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作者简介：江斌（1981-07），男，汉族，籍贯：宁夏石嘴山市，学历：本科，研究方向：超级电容器