酚醛基活性炭布的制备及电化学性能研究

电压的变化；ｍ 为 单 电 极 炭 布 的 质 量，ｇ；（Δｔ／ΔＶ）由
恒流放电曲线斜率的倒数求得。
１．４ 交 流 阻 抗 测 试 使用电化学 工 作 站 （上 海 辰 华 公 司 ＣＨＩ６６０Ｃ）进
行交流阻 抗 （ＡＣ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）测 试。 交 流 阻 抗 测 试 的 频率范 围 为 １００ｋＨｚ～０．０１Ｈｚ。 其 中 等 效 串 联 电 阻 （Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＥＳＲ）值 为 频 率 １ｋＨｚ 下实部阻抗值 。 ［８］
纺丝，支数 １５Ｋ，再 经 纺 纱、平 纹 织 布 制 得，面 密 度 为 １９６ｇ·ｃｍ－２）为 原 料，在 氮 气 保 护 下 置 于 卧 式 高 温 炉 中，以２℃·ｍｉｎ－１加 热 到 ８５０℃ 后 恒 温 １ｈ 进 行 炭 化， 随后改变活化温度或活化时间通入二氧化碳进行活化 处理，得到不同比表面积的活性炭布，标记为 ＡＣＣｘ（ｘ 代 表 不 同 的 活 化 样 品 ）。 １．２ 电 极 制 备 及 模 拟 电 容 器 的 组 装
使用蓝电系列高精度电池测试系统对电容器进行 恒电流循环充放电测 试。 充 放 电 压 范 围 为 ２．９～０Ｖ。 当模拟电容器正负极 活 性 炭 布 质 量 相 同 时，其 单 电 极 质量比电Ｃ 为：
Ｃ ＝２Ｉ×Δｔ／（ｍ ×ΔＶ）
（１）
式中：Ｉ 为放 电 电 流，Ａ；ΔＶ 为 放 电 时 Δｔ 时 间 间 隔 内
１．５ 酚 醛 基 活 性 炭 布 孔 结 构 测 试 使用 ＡＳＡＰ２０２０物理自 动 吸 附 仪，采 用 容 量 法 以
氮气为吸附质，在液氮温度下（７７Ｋ）进行 吸 附，由 测 得
的吸附等 温 线 计 算 比 表 面 积 及 其 孔 结 构。 比 表 面 积
（ＳＢＥＴ）由 ＢＥＴ 法 得 出，ｔ－ｐｌｏｔ法 测 得 微 孔 比 表 面 积 （Ｓｍｉｃ），中孔比表面积（Ｓｅｘｔ）由 ＳＢＥＴ 减 去 Ｓｍｉｃ得 来，平 均 孔径（Ｌ０）由以下公式 计 算 得 到：Ｌ０＝４×Ｖｔｏｔａｌ／ＳＢＥＴ，总 孔容（Ｖｔｏｔａｌ）由相 对 压 力 为 ０．９５ 时 的 液 氮 吸 附 量 换 算 成液氮体积得到。
１．６ 酚 醛 基 活 性 炭 布 电 导 率 的 测 量
采用 ＳＺＴ－２ 自 动 四 探 针 测 试 仪 测 量 活 性 炭 布 的 面电导率，电 流 挡 选 为 １ｍＡ，测 试 样 品 尺 寸 为 ２ｃｍ×
２ｃｍ。
２ 结 果 与 讨 论
２．１ 样 品 的 孔 结 构 以 及 电 导 率 参 数 表１列出了在不同活化温度或活化时间下制备得
酚醛基活性炭布的制备及电化学性能研究
１Leabharlann 酚醛基活性炭布的制备及电化学性能研究
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｐｈｅｎｏｌｉｃ Ｒｅｓｉｎ Ｂａｓｅｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈ
耿 煜１，２ ，宋 燕１ ，钟 明１，２ ，李 鹏１，２ ，郭 全 贵１ ，刘 朗１ （１ 中国科学院 山西煤炭化学研究所，太原 ０３０００１； ２ 中国科学院 研究生院，北京 １０００４９） ＧＥＮＧ Ｙｕ１，２，ＳＯＮＧ Ｙａｎ１，ＺＨＯＮＧ Ｍｉｎｇ １，２， ＬＩ Ｐｅｎｇ１，２，ＧＵＯ Ｑｕａｎ－ｇｕｉ １，ＬＩＵ Ｌａｎｇ１
到的活性炭布的比表 面 积、平 均 孔 径 以 及 面 电 导 率 等 参 数 。 由 表 １ 可 知 ：在 同 一 活 化 温 度 下 ，随 活 化 时 间 延 长 ，所 制 样 品 的 比 表 面 积 和 中 孔 比 表 面 积 增 大 ，平 均 孔 径增加，而 样 品 的 电 导 率 有 所 下 降；在 相 同 活 化 时 间 下，９５０℃活化所制样 品 的 比 表 面 积、中 孔 比 表 面 积 和 平均孔径较大，电 导 率 稍 有 下 降。 这 是 由 于 随 活 化 温 度 的 提 高 ，活 性 炭 布 的 碳 原 子 进 行 重 排 ，微 晶 结 构 得 到 发 展 ，导 电 性 能 提 高 ［９］，而 进 一 步 的 孔 率 增 加 又 使 得 导
具有高功率密度、快 速 充 放 电、循 环 寿 命 长、绿 色 环 保 免维护等优点 。 ［１－３］ 电极是超级 电 容 器 的 主 要 组 成 部 分 ，电 极 材 料 的 结 构 成 为 影 响 电 容 器 性 能 的 关 键 因 素 。
多孔炭由于具有 较 大 比 表 面 积、稳 定 的 电 化 学 性 质及价廉等因素在超级电容器电极材料方面得到了广 泛的应用。Ｊ．Ｇａｍｂｙ 等 考 察 了 颗 粒 状 活 性 炭 的 结 构 与 电 化 学 性 能 之 间 的 相 关 性 ，在 有 机 电 解 液 中 ，其 比 电 容达到１２５Ｆ·ｇ－１［４］；刘 春 玲 等 制 备 酚 醛 基 活 性 炭 纤 维，并将其作为双电 层 电 容 器 的 电 极 材 料 研 究 了 其 电
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ ｂａｓｅｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈｓ（ＡＣＣｓ）ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ａｃｔｉ－ ｖａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ－ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ＡＣＣｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＡＣ ｉｍ－ ｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ－ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ １Ｍ （ＣＨ２ＣＨ３）３ＣＨ３ＮＢＦ４／ＰＣ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＢＥＴ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ ＡＣＣ４ｒｅａｃｈｅｄ １３５Ｆ·ｇ－１ ａｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ５０ｍＡ·ｇ－１．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆ－ ｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｍｉｃｒｏｐｏｒｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｈｉｌｅ ｔｈａｔ ｏｆ ｆｒｏｍ ｍｅｓｏｐｏｒｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ＥＳＲ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎ－ ｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ ｂａｓｅｄ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ；ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ；ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
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材料工程 ／２０１１年１０期
化学性能，得到的比电容为１０９．６Ｆ·ｇ－１ 。 ［５］ 目前，国内外在活 化 处 理 对 颗 粒 状 及 纤 维 状 活 性
炭的孔结构及其电化 学 性 能 方 面 进 行 了 大 量 研 究，但 就活性炭布的孔结构调控与电化学性能的相关性研究 较 少 。 而 活 性 炭 布 成 型 性 好 ，可 直 接 裁 剪 成 电 极 片 ，避 免了颗粒状、纤维状 活 性 炭 作 为 电 极 时 黏 结 剂 的 加 入 带来的孔堵塞及导电 性 下 降 的 不 良 影 响，且 易 于 大 规 模生产 。 ［６］ 二氧化 碳 为 活 化 剂 制 备 活 性 炭 布，在 产 生 孔的同时，炭纤维直 径 变 化 很 小 从 而 使 得 所 制 活 性 炭 布的强度下降较小 。 ［７］
随 着 经 济 与 社 会 的 快 速 发 展 ，能 源 问 题 日 渐 紧 张 ， 大量废气排放而带来 的 环 境 恶 化 日 益 严 重，对 新 型 的 节能低排放的要 求 也 越 来 越 高。 混 合 电 动 汽 车 （Ｈｙ－ ｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＥＶ）因 其 环 保 节 能 得 到 人 们 的广泛关注，得 到 较 快 速 度 地 发 展。 作 为 ＨＥＶ 的 重 要组成部 分，超 级 电 容 器 的 研 究 取 得 了 很 大 的 进 展。 超级电容器是介于普通电容器与二次电池之间的新型 储能器件，它既具有 普 通 电 容 器 的 高 比 功 率 和 高 循 环 充 放 电 特 性 ，又 具 有 二 次 电 池 的 高 比 容 量 储 能 性 能 ；它
摘要：以实验室自 制 的 酚 醛 基 纤 维 布 为 原 料，以 二 氧 化 碳 为 活 化 剂 制 备 了 系 列 酚 醛 基 活 性 炭 布 （Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈｓ，ＡＣＣｓ），利用低温 Ｎ２（７７Ｋ）吸附法测定了所制活 性 炭 布 的 孔 结 构，并 将 所 制 得 活 性 炭 布 用 做 超 级 电 容 器 电 极 材 料，采用恒流充放电法和交流阻 抗 技 术 考 察 了 所 制 模 拟 电 容 器 的 电 化 学 性 能 （电 解 液：１Ｍ（ＣＨ２ＣＨ３）３ＣＨ３ＮＢＦ４／ＰＣ）。 结果表明：随 着 活 性 炭 布 的 比 表 面 积 的 增 大 ，比 电 容 也 随 之 增 大 ，其 中 ＡＣＣ４ 样 品 在 ５０ｍＡ·ｇ－１ 的 电 流 密 度 下 达 到 １３５Ｆ·ｇ－１。随着电流密度的增大，微孔对比电容的贡献下降而中孔的贡献增大，说明中孔有利于提高活性炭布的功率 特 性 。 随 活 化 程 度 的 加 深 ，活 性 炭 布 的 导 电 性 下 降 ，等 效 串 联 电 阻 增 大 。 关 键 词 ：活 性 炭 布 ；二 氧 化 碳 活 化 ；孔 结 构 ；电 化 学 性 能 中 图 分 类 号 ：０６４６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１－４３８１（２０１１）１０－０００１－０４