导电高分子修饰活性炭电极的制备与表征
超级电容器是一种介于电池与静电电容器之间的新型储能元件，其功率密度比电池高数十倍，能量密度比静电电容器高数十倍，具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长等优点，有望成为21世纪的新型绿色能源。超级电容器的研究主要集中在对高性能电极材料的制备上。根据储能机理不同，超级电容器可以分为基于高比表面积碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器和基于电极材料表面的电沉积或氧化还原过程法拉第准(赝)电容的超级电容器两类。活性炭材料具有较高的比表面积可以产生较大的双电层电容，同时导电高分子快速可逆的氧化还原反应致使其在整个体积内存在高密度电荷而产生很大准电容，因而将两种电极材料复合可以提高电极的比电容。
本文以活性炭为电极原材料，并通过优化工艺制备比电容较高的炭电极。利用原位吸附化学聚合法和原位电化学聚合法制备导电高分子/活性炭复合电极，通过循环伏安、交流阻抗、恒流充放电技术等进行测试并比较其电化学性能。主要实验内容和结果如下：
1．活性炭电极制备及工艺优化本论文较为系统地研究了影响活性炭(AC)电极性能的因素，发现活性炭、导电剂、粘结剂三者的性能和含量、电极成型方式等因素对电极的电导率和比电容都有一定的影响。实验表明活性炭粒度越小比表面积越大，与导电剂混合情况越好，电极电导率越高；炭黑作导电剂时电极性能最好且炭黑含量超过30％后对电极的电导率变化影响较小，但是由于炭黑本身的电容量很小，随着其含量的增大炭电极电容量下降；粘结剂聚四氟乙烯绝缘且疏水，含量增大时比电容明显下降。球磨混合可以改善活性炭与炭黑的混合，从而提高电极的电导率，但是当球磨时间超过2h后电导率基本保持不变。因此最终确定比表面积为2600m<‘2>/g活性炭粉末作为电极主体材料，与炭黑、聚四氟乙烯的配比为8∶1∶1，球磨2h处理，以0.5mol/L硫酸作电解液，炭电极比电容高达306F/g，等效串联电阻为在16Ω左右，这个比电容高于文献中所报道的数值。由于实验所采用的活性炭粉末粒度较小，且具有较高比表面积，浸泡和热处理等预处理手段对其性能提高不明显，因此实验中不对活性炭进行预处理。
2．化学法制备聚苯胺/活性炭复合电极利用原位吸附化学聚合法制备聚苯胺(PAn)与活性炭的混合颗粒，两者质量比约为7∶1，聚苯胺的产率大约为61﹪。以0.5mol/L，的硫酸为电解液，PAn/AC复合电极比电容达到390F/g，比纯AC电极的提高了28﹪，比电容的提高是由于聚苯胺的氧化还原反应产生的法拉第准电容，但是电极中的聚苯胺利用率较低(仅能达到49﹪)，而且复合电极的等效串联电阻(ESR)比AC电极高，大约为80Ω，说明化学法制备的聚苯胺导电性较差。
3．电化学法制备PAn/AC复合电极通过循环伏安法和恒电位法在活性炭电极表面电化学聚合一层导电聚苯胺，并通过改变聚合条件得到不同复合电极，对其性能进行表征并比较。实验结果表明：PAn/AC复合电极表现出明显的法拉第准电容特性，且比电容都比AC电极高。苯胺在炭电极上的氧化电位比玻碳、铂等惰性电极要高，大约在1.2V。循环伏安法制备的复合电极的电容性能比恒电位法好。循环伏安聚合时扫描速率较大无法得到聚苯胺膜，扫描上限电位越小，得到的聚苯胺的氧化还原可逆性越高，电极的等效串联电阻越小，聚苯胺在活性炭表面的有效利用率越高，比电容也越高。实验确定聚合电位扫描范围为-0.2～1.2V，扫描速率为1mV/s，聚合周期为3，此时聚苯胺的有效利用率能达到89﹪，比电容达到546F/g，比纯AC电极提高了78﹪。
超级电容器;聚苯胺;活性炭;比电容;电化学性能
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
王玮
2007
中文
TM53;TQ424.1
71
2007-09-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）