超級活性炭具有巨大的比表面積、孔徑分布相對集中、低灰份和良好的導(dǎo)電性等特點,在電化學(xué)儲能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。堿法活化,特別是KOH活化石油焦是目前常用的制備超級活性炭方法,但其工業(yè)化制備仍存在諸多產(chǎn)品質(zhì)量問題。在前期攻克KOH活化過程中反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)優(yōu)化技術(shù)、金屬鐘的安全處理技術(shù)、低灰份控制技術(shù)、粒徑拉制技術(shù)、表面處理技術(shù)基礎(chǔ)上,我們成功制備出30噸/年規(guī)模超級活性炭產(chǎn)品。本文W此材料為主要原料,分析了其物化結(jié)構(gòu),對比了其與商業(yè)電容活性炭的物性差異,考察了其在超級電容器及Li-S電池正極中的電化學(xué)應(yīng)用性能,得到結(jié)論如下:
(1)W石油焦為原料、KOH為活化劑,噸級規(guī)模制備出超級活性炭粗品,進一步通過灰份控制、粒徑控制、表面后處理技術(shù),得到超級活性炭產(chǎn)品(SAC)。其主要性能指標如下:平均粒徑~5μm,振實密度>0.35g/cm³,電導(dǎo)率>4S/cm,比表面〉2000m²/g,平均孔徑l-3nm,灰分<0.07wt%,氧含量<2wt%。與商業(yè)化電容活性炭相比,所制SAC具有最高的比表面積、最低的灰分和氧含量、相對集中的粒徑分布。
(2)當用于超級電容器電極材料時,在ET4NBF4/PC體系,SAC的比容量在0.5A/g時為122F/g,在10A/g時的比容量是104.6F/g,僅下降了14%,循環(huán)5000次后容量保持率為94.5%,性能優(yōu)于目前商業(yè)電容活性炭。進一步對比了SAC在組明F4/PC和ET4NBF4/PC電解液體系中的電化學(xué)行為。由于SBP+具有較小的離子半徑,SAC在ET4NBF4/PC中的比容量比在ET4NBF4/PC中高10%,且正負極容量對稱性更佳,5000次循環(huán)容量保持率為96.2%。
(3)探討了SAC在高性能Li-S電池正極材料中的應(yīng)用潛力。首先WSAC為單質(zhì)硫載體材料,采用烙融浸潰法得到SAC/S復(fù)合材料。由于SAC豐富的微孔結(jié)構(gòu)可W對多硫離子產(chǎn)生較強的限域作用,SAC/S在0.5C時的首次放電比容量為870mAhgi,經(jīng)過300次循環(huán),容量保持率為67%。其次WSAC作為功能性涂層,直接涂覆在硫電極或商業(yè)化隔膜的表面來抑制長鏈聚硫化物向負極的穿梭。正極涂覆和隔膜涂覆都能顯著提升裡硫電池的放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。但是正極涂覆層在循環(huán)過程中有可能因為電極體積變化而破裂,失去保護作用,相比之下,隔膜涂覆層則能保持較好的穩(wěn)定性。當使用隔膜涂覆層,硫正極在化5C時的首次放電容量為1320mAhg^¹,經(jīng)過100次循環(huán)后,可逆容量為997mAhg~¹,容量保持率為76%,在3C時仍能獲得673mAh¯¹的可逆容量。