摘要
超级电容器是一种新型储能装置，因其功率密度高、循环稳定性好、寿命长等优势受到了学界和业界的广泛关注。电极材料是控制超级电容器性能的关键，多孔炭材料凭借其比表面积高、孔结构可控、耐酸碱以及优异的电化学性能等优点，被认为是新世纪最具前景的电极材料之一。与其它形态的材料相比，球形材料堆密度可控、流动阻力小，具有更加优异的电化学性能。 本文以廉价的酚醛树脂作为原料，首次采用无乳化剂反相乳液法，经高温炭化和活化，制备出球径可调的活性炭球及活性炭-石墨烯复合球。论文系统研究了合成条件（搅拌速度、油相的种类及比例、溶剂的种类及比例）以及添加石墨烯对树脂成球行为和球径的影响，并提出了可能的成球机制。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、Raman光谱、氮气物理吸/脱附等方法对活性炭球和活性炭-石墨烯复合球进行了表征。初步研究了炭微球作为超级电容器电极活性材料的电化学性能，详细讨论了孔结构和添加石墨烯对其电化学性能的影响。论文主要结论如下: (1)研发出一种不使用乳化剂，以硅油和导热油混合油以及纯导热油为连续相，工业酚醛树脂/酚醛树脂-氧化石墨烯乙醇溶液为分散相，合成酚醛树脂基活性炭球和复合炭球的方法。该法通过调节油相组成和比例、乙醇和酚醛的配比以及搅拌速度，可获得球径范围在5-200μm之间可调的炭微米球。根据研究结果提出了可能的成球机制，发现粘度小、导热系数高、分子结构中含有大量苯环的导热油对酚醛树脂微球的形成起重要的控制作用。正交实验结果显示在合适的合成条件下，搅拌速度是调控树脂球球径大小的有效途径。 (2)采用原位添加致孔剂F127和KOH活化的方式，调控活性炭球的孔道结构。发现添加合适比例的F127对活性炭球的球形度影响不大，但能够显著增加炭球的比表面积和微孔及介孔孔容。KOH活化不影响活性炭球的球形度，能够增加炭球的比表面积和微孔孔容，但是不同的碱炭比会造成微孔孔径分布的变化。电化学性能研究表明，小于1nm的微孔是活性炭球储存电荷的主要场所，其含量和分布直接决定活性炭球的电容大小。1-2nm的微孔是KOH电解液在活性炭球内扩散传输的主要通道，对超级电容器的倍率性能起至关重要的作用。 (3)发现在本论文所采用的实验条件下，加入石墨烯不改变复合炭球的球形度和球径，但石墨烯在复合炭球中的分布和存在形貌随添加量的增加有较大变化。石墨烯含量低时，主要掺入活性炭球内部;石墨烯添加量增加，逐渐包覆于活性炭球表面，并进一步在炭球表面富集，甚至自身发生团聚。石墨烯添加量对复合炭球的孔结构也有重要影响。电化学性能研究发现薄层石墨烯包覆的复合炭球由于具有优异的导电性，尽管其比表面积和孔容最小，却表现出较佳的电化学储能性能和倍率性能。
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