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2结果与讨论
2.1碱炭比对材料比表面积的影响
活性炭电极的电容器的电容主要来源于界面的双电层。在某种程度上来说,活性炭的比表面积越大,电容器的比容量越高。炭材料的比表面积受很多制备因素的影响。本文在原料粒度为180目、活化温度800℃、保温时间为2h的条件下,考察了不同的碱炭比得到的活性炭的比表面积及其相应的比容量,结果见表1。
在制备活性炭的过程中,碳与KOH发生化学反应,使微晶间隙的碳化合物、无定形碳及活性点碳消失,生成具有微孔结构的大比表面积活性炭。KOH的量增大,活化反应更剧烈,生成的微孔数目越多,活性炭的比表面积也就越大。但是,由于能生成的微孔数目是一定的,所以,当碱炭比增加到3∶1以后,炭材料的比表面积不再有大的变化。同时,从表中也可以看出,制得的活性炭材料的比表面积越大,相应电极的比容量越大,综合以上因素,我们选定原料的碱炭比均为3∶1。
2.2电极材料的电化学性能测试
图1是在电流密度15mA/cm2恒定电流下电容器的循环充放电曲线。从图中可以看出,充放电曲线呈现出对称性良好的锯齿状直线,说明在充放电过程中没有发生电化学反应,电容器中在电极/电解液界面形成了的很好的双电层,电极反应主要为双电层上的电荷转移反应。而且,放电曲线的电压降极小,这表明溶液的离子的导电性和电极/电解液的接触均良好。此外,通过此曲线的斜率,还可以得出在该电流下单电极的比容量为165F/g。
图2和图3是在不同电流密度条件下,测得得恒流放电曲线图以及相应的比容量关系图。可以看出,随着电流的增大,放电的速率也在加快。同时,从图3看出,虽然电流密度从5mA/cm2增大到30mA/cm2,但电容器的比容量仅仅下降了16F/g,说明该电容器在大电流条件下工作,性能依然保持稳定,从而也验证了电容器具有高的比能量和比功率,能在短时间内放出很大的电量的特点。
图4为在不同的开路电压条件下,电容器的交流阻抗图。图中数据显示,在不同开路电压下,高频区的法拉第阻抗均很小,这与电容器的工作原理相符,整个回路的阻抗可用如图5所示的等效电路图来表示。且在低频区域内几乎是一条平行于y轴的直线,即θ≈90°,也呈现出近似纯电容的效果;与0.1V的开路电压阻抗图相比较,当开路电压V=0.8V,电解液的电阻R溶液有所增大,从电容器的工作原理来看,当开路电压增大到0.8V时,电解液中会有更多的离子定向排列在两个电极的附近,形成了两个串联的电容器,使得溶液中导电离子数目减少,从而使电解液的电阻增大。
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