石墨烯超级电容器实验研究报告
超级活性炭具有巨大的比表面积、孔径分布相对集中、低灰份和良好的导电性等特点,在电化学储能领域具有广泛的应用前景。碱法活化,特别是KOH活化石油焦是目前常用的制备超级活性炭方法,但其工业化制备仍存在诸多产品质量问题。在前期攻克KOH活化过程中反应器内部传质优化技术、金属钟的安全处理技术、低灰份控制技术、粒径拉制技术、表面处理技术基础上,我们成功制备出30吨/年规模超级活性炭产品。本文W此材料为主要原料,分析了其物化结构,对比了其与商业电容活性炭的物性差异,考察了其在超级电容器及Li-S电池正极中的电化学应用性能,得到结论如下:
(1)W石油焦为原料、KOH为活化剂,吨级规模制备出超级活性炭粗品,进一步通过灰份控制、粒径控制、表面后处理技术,得到超级活性炭产品(SAC)。其主要性能指标如下:平均粒径~5μm,振实密度>0.35g/cm³,电导率>4S/cm,比表面〉2000m²/g,平均孔径l-3nm,灰分<0.07wt%,氧含量<2wt%。与商业化电容活性炭相比,所制SAC具有最高的比表面积、最低的灰分和氧含量、相对集中的粒径分布。
(2)当用于超级电容器电极材料时,在ET4NBF4/PC体系,SAC的比容量在0.5A/g时为122F/g,在10A/g时的比容量是104.6F/g,仅下降了14%,循环5000次后容量保持率为94.5%,性能优于目前商业电容活性炭。进一步对比了SAC在組明F4/PC和ET4NBF4/PC电解液体系中的电化学行为。由于SBP+具有较小的离子半径,SAC在ET4NBF4/PC中的比容量比在ET4NBF4/PC中高10%,且正负极容量对称性更佳,5000次循环容量保持率为96.2%。
(3)探讨了SAC在高性能Li-S电池正极材料中的应用潜力。首先WSAC为单质硫载体材料,采用烙融浸溃法得到SAC/S复合材料。由于SAC丰富的微孔结构可W对多硫离子产生较强的限域作用,SAC/S在0.5C时的首次放电比容量为870mAhgi,经过300次循环,容量保持率为67%。其次WSAC作为功能性涂层,直接涂覆在硫电极或商业化隔膜的表面来抑制长链聚硫化物向负极的穿梭。正极涂覆和隔膜涂覆都能显著提升裡硫电池的放电容量和循环稳定性。但是正极涂覆层在循环过程中有可能因为电极体积变化而破裂,失去保护作用,相比之下,隔膜涂覆层则能保持较好的稳定性。当使用隔膜涂覆层,硫正极在化5C时的首次放电容量为1320mAhg^¹,经过100次循环后,可逆容量为997mAhg~¹,容量保持率为76%,在3C时仍能获得673mAh¯¹的可逆容量。
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