电化学电容器用纳米多孔炭的表面状态设计研究

电化学电容器（EC）作为一种新型功率器件已成为国际能源领域的研究热点。活性炭（AC）是最具发展前景的EC电极材料，目前对该材料的表面化学状态的研究很少，限制了AC材料比容和AC电容器综合性能的提高。本项目采用表面活性剂吸附和气相、液相、电化学氧化等方法形成各种AC表面状态，借助Boehm滴定、FT-IR、XPS、TG、元素分析等技术对AC表面状态进行定性和定量分析，研究表面官能团（SFG）产生机理；采用循环伏安、恒流充放电和电化学阻抗谱等测试分析不同电解液中AC表面状态对AC比容和AC电容器内阻、漏电流、功率密度、寿命等参数的影响，探讨其作用机制；在对表面状态对AC性能影响综合分析的基础上设计AC表面化学状态，进而实现表面化学状态满足设计要求AC的研制。本研究不仅能大幅度提高AC材料的比容和改善AC电容器的综合性能，对推动AC电容器储能理论的发展也具有重要意义。

作为超级电容器最主要的电极材料，AC表面状态对超级电容器的性能具有非常重要的影响。AC表面状态主要包括表面浸润性和表面官能团，对AC表面进行改性对提高AC性能意义重大。采用XRD、TG/DTG、XPS、FTIR、Boehm滴定、氮气吸附、碘吸附、循环伏安、恒流充放电、交流阻抗谱等测试方法研究了材料的表面状态、结构和性能。首先研究了在AC表面吸附阴离子和非离子表面活性剂、改善AC对水系电解液的浸润性，取得了很好的效果；在AC表面嫁接OCFG，改善AC对水系电解液的浸润性并引进赝电容，获得了OCFG对AC改性的双重效应；在AC表面嫁接NCFG，改善AC对有机电解液的浸润性，达到了预期效果；首次对AC前驱体石油焦进行氧化和膨化改性，改善AC表面状态的同时，极大地扩大了AC的比表面积，使AC比电容提高幅度达到89.1%，为AC改性开辟了一个新的方向。