离子传输阻力更小有利于提高电极材料的性能，红宝石电容电极制备和性能测试

有序介孔炭的制备称取5.0g的F127溶解在20g去离子水与16g无水乙醇的混合溶液中，在磁力的搅拌下，逐滴缓慢加入0.4g盐酸(37wt%)和3.3g间苯二酚，室温下搅拌2h，溶液变成淡黄色，在磁力的搅拌下逐滴缓慢加入4.9g甲醛溶液(37wt%)，继续搅拌5h，将溶液在暗室中静置72h，有明显的分层，上层为无色透明溶液，下层为乳白色黏稠物，倾出上层清液，85℃烘干下层黏稠物，72h得到淡黄色固体产物，将产物置于管式炉中，在氮气保护下以1℃/min的升温速率从室温升至850℃并保持3h，然后球磨10h，得到介孔炭， 电极制备和性能测试将所制得有序介孔炭去离子水反复冲洗，使用全方位行星式球磨机（QM-QX04，南京大学仪器厂）球磨2h，然后将处理的有序介孔炭和石墨按照9:1质量比例混合，用玛瑙研钵研磨60min，使其充分混合，加入无水乙醇调成浆，用超声波振荡30min使其进一步混合均匀，加入适量的聚四氟乙烯作为黏合剂，用辊轧机将电极用12MPa的压力压制到泡沫镍网集流体上，然后切割成1cm×1cm的正方形工作电极片，在80℃下烘干至恒重待用电极材料XRD图谱采用日本Mac M18ce型衍射仪表征，测试环境：Cu α辐射(λ=1.5418?)，扫描速度为10°/min，扫描范围2θ＝5°～90°，管电流为100mA，管电压为40kV，微观形貌的表征采用透射电子显微镜（TEM，Philips Tecnai G220，工作电压为200kV）以及扫描电镜（SEM, JEOL JSM-5600LV，工作电压为15kV），恒流充放电、循环伏安和交流阻抗特性测试采用三电极体系，其中电解液选取3mol/L的氢氧化钾(KOH)溶液，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片(Pt)为辅助电极，上述实验均使用CHI608A型电化学工作站（上海辰华仪器公司）进行测试，有序介孔炭的XRD图谱，红宝石电容在22.62°和42.96°对应于石墨化结构的(002)和(100)晶面的衍射峰，无杂质峰出现，除了在2θ＝22.62°处有一强峰外，其余的衍射峰强度都较小，半峰宽较大，表明晶化程度较小，研究表明此种材料适合用于红宝石电容器材料，图2-13所示为有序介孔炭的SEM图，由图可知，样品为大小基本相同的颗粒结构，粒径大小约为10μm，有序介孔炭的TEM图，TEM显示碳壁为10nm，呈现有序孔状的结构，有序介孔炭横截面显示出良好的介孔结构，孔道有序性好，这种有序的介孔结构有利于电解液的扩散，适合于红宝石电容器电极材料，在不同电流下进行恒流充放电实验，设定充放电电压范围为-1.0～0V，充放电电流分别为5mA、8mA和10mA，充放电曲线如图2-15所示，由图可知，单次充电和放电曲线具有良好的可逆性，曲线两边基本对称，时间与电压具有近似线性关系，电极材料在5mA下充放电曲线具有良好的线性，自放电电流比较小，且放电初始无明显电压降，说明电极材料内阻小，有理想的电容性能，在电流为5mA、8mA和10mA时电极材料的比容量分别为116.5F/g、108.5F/g和107.8F/g，有序介孔炭电极的阻抗特性曲线，测试频率范围为0.1～100kHz，振幅为5mV，起始电压为0V，由图可知，ESR为0.475Ω，在高频区出现了一个明显的半圆弧，说明存在电荷传递电阻和Warburg阻抗，高频区的半圆弧小，表明电极和电解液界面的电荷转移电阻很小；在中频区为一段接近45°的斜率，这与电荷转移阻抗相关；红宝石电容在低频区近似一条垂直的直线，显示出良好的电容特性，图2-17所示为有序介孔炭电极的循环伏安曲线，扫描速度分别为2mV/s，5mV/s，8mV/s，10mV/s，20mV/s，电位区间为-1.0～0V（与SCE相比），电解质为3mol/L的氢氧化钾溶液，由图可知，曲线显现出比较典型的电容特征，时间常数（电容和电阻的乘积）决定电位转换时的陡峭程度，当扫描方向改变时电极表现出快速的电流响应，并迅速处于稳定状态，说明其内阻小，RC时间常数小，适合大电流工作，这主要是由有序介孔炭材料规则的结构和交错的空间通道所决定的，氢氧化钾溶液中的电解质离子可以在空隙中较为自由地运动，快速形成双电层，减小了红宝石电容器的内阻，上述扫描速度下对应的比容量分别为160F/g、145F/g、130F/g、120F/g、110F/g，图2-18所示为有序介孔炭电极的循环性能，测试条件是当电流为10mA时，对样品电极进行500次恒流充放电，由图可知，随着循环次数的增加，电容量有微弱的衰减，红宝石电容在循环初期，有序介孔炭的表面官能团会分解，从而消耗部分电容量；其次随着循环次数的增加，电容器温度升高也会引起电容量的减小，引起部分脆弱的孔道破坏，同时温度的增加，进一步加剧了表面官能团的分解，容量保持率可以用来衡量碳材料传输离子的能力，容量保持率越大，则材料传输离子的能力越强，经过计算，在电流为10mA时，初次充放电比容量为125F/g，随着循环次数的增加，比容量逐步减小，达到450次循环后容量稳定于113F/g（容量保持在90.5%以上），有序的孔道使离子传输能力更强，离子传输阻力更小，有利于提高电极材料的性能。