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低温等离子体处理对炭电极材料结构及电化学性能的影响
第七届海峡两岸新型炭材料学术研讨会论文集
低温等离子体处理对炭电极材料结构及
电化学性能的影响
田永明1”,宋 燕1,耿 煜1”,郭全贵1,刘 朗1
(1.中国科学院山西煤炭化学研究所;2.中国科学院研究生院)
摘要:本论文用低温等离子体法对商业化活性炭纤维MP60及炭织物ACC507进行了改性处理,考察了处理
前后样品的结构变化,并将上述样品用作双电层电容器电极材料,采用充放电测试、循环伏安法、交流阻抗测试
等方法研究了改性前后样品的电化学性能。实验结果表明,经氢气低温等离子体处理后各样品表面含氧官能团
总含量降低;其中羧基含量下降,羰基含量增加。而活性炭织物表面羧基被还原,产生了大量c—O单键。处理
后的样品比电容有所提高,中孔炭纤维的的离子扩散阻力均略有提高,电子传递电阻显著降低,而活性炭织物的
电子传递阻力有较明显增大。在有机电解液体系中,活性炭纤维表面羰基的增多导致电子更易于传递,电子传
递阻力显著降低;而活性炭织物表面处理后大量羧基被还原为C一0单键,导致电子传递阻力的增加,说明还原
价态的氧不利于电子在材料内的传递。
关键词:低温等离子体处理;比电容;交流阻抗;模拟
1 简介 改变表面结构,也可控制界面物性,在炭材料表面
处理方面显示出巨大的应用潜力。对于活性炭纤
双电层电容器利用电解质的正负离子在多孔 维来说,未经表面处理的活性炭纤维边缘活性碳原
电极/电解液界面分离所形成的双电层来存储能 子数目较少,因而表面能低.接触角大,呈现憎液
量,既具有优良的脉冲放电性能以及物理电容器所 性,导致使其在电解液中的浸润性较差。因此,有
不具备的大容量储能性能,又有远高于二次电池的 必要对炭纤维表面进行处理,清除活性炭纤维的表
功率密度和长的使用寿命。因此,其在军事领域、 面杂质,以增加表面能【I引,改善电解液对电极材料
电动汽车等方面具有十分广阔的应用前景和商业 的浸润性。或者在其表面引入具有极性或反应性
价值‘14]。 的官能团,从而改善和电解液之间的浸润性及导电
电极材料是决定电容器性能的关键因素之一, 性,提高比电容,改善电容器的电化学性能。
作为理想的电容器电极材料,除了要求其具有适宜 综上所述,本文选用一种商业化活性炭纤维
的孔径和良好的颗粒间电子传导能力外,表面化学 MP60及炭织物ACC507作为炭电极材料,探讨通
性质对电容器的电化学行为也会产生重要影响。 过低温等离子体对材料表面进行修饰、蚀刻后对炭
由于活性炭纤维较大的比表面积,因此表面会产生 电极材料电化学性能的影响。
各种基于氧的官能团,如酮类、羟基类、醌类、酚醛
类及内酯类等含氧基团。这些基团的存在通常会 2实验部分
影响电极中电解液对活性炭表面的导电性及浸润
性,从而会影响到电容器的比电容值以及活性炭孔 2.1原料与材料处理
内离子的扩散速率【5引。同时,表面官能团还可能 选用炭织物ACC507和活性炭纤维MP60,采
与电解液中的离子发生反应,从而引起较大的漏电 用介质阻挡放电法对材料进行低温等离子体处理。
流。因此对炭纤维表面进行改性,调控表面官能团 等离子体气体采用氢气,处理时氢气流量为
的种类和数量,从而改变表面的基本特性,能够达 100mL·rain~。处理时间为1小时。处理后样品分
到改善活性炭纤维电极材料与电解液导电性及浸 别命名为H2一ACC507,H2一MP60。
润性,提高电容器能量密度的目的。 2.2表征
一般的炭材料表面改性技术有很多种,如化学 2.2.1 X射线光电子能谱
湿法处理、
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