活性炭的電化(hua)學性能

　　能(neng)(neng)源問題是21世紀活性炭電(dian)化學性能(neng)(neng)*顯著(zhu)的(de)全(quan)球(qiu)(qiu)挑戰之一(yi)。全(quan)球(qiu)(qiu)對能(neng)(neng)源供應(ying)和(he)(he)環(huan)(huan)(huan)境保護的(de)需(xu)求急劇增(zeng)(zeng)加，迫使世界面臨經濟危機。據*近報道，全(quan)球(qiu)(qiu)能(neng)(neng)耗每年約(yue)為4.1×10 20 J--其80%來自不可再(zai)(zai)生碳密集型化石燃料，包括煤、石油和(he)(he)天然(ran)氣。過(guo)度(du)依(yi)賴(lai)燃燒化石燃料帶來了(le)許多環(huan)(huan)(huan)境問題，增(zeng)(zeng)加了(le)全(quan)球(qiu)(qiu)經濟的(de)負擔。隨(sui)著(zhu)世界的(de)不斷發(fa)展，能(neng)(neng)源需(xu)求迅速增(zeng)(zeng)長，地(di)球(qiu)(qiu)不可再(zai)(zai)生能(neng)(neng)源總量相當有限。因此，為了(le)滿足日益增(zeng)(zeng)長的(de)能(neng)(neng)源需(xu)求，減少對環(huan)(huan)(huan)境的(de)應(ying)力，需(xu)要安(an)全(quan)、實(shi)用、可持續、性能(neng)(neng)良(liang)好的(de)能(neng)(neng)量轉換(huan)和(he)(he)存儲(chu)設備(bei)。

　　電(dian)(dian)化(hua)學電(dian)(dian)容(rong)器(qi)*近引起了人們的(de)(de)極大興趣(qu)，包(bao)括顯著的(de)(de)循環(huan)(huan)效率(lv)(lv)、預期的(de)(de)循環(huan)(huan)壽(shou)命、快(kuai)速(su)充放電(dian)(dian)率(lv)(lv)和(he)優良的(de)(de)功率(lv)(lv)密度(du)，以(yi)(yi)及便(bian)攜式電(dian)(dian)子、混(hun)合電(dian)(dian)動汽(qi)車和(he)存儲器(qi)的(de)(de)備用設備。毫無疑(yi)問，活性炭雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)性能主要取決于其(qi)電(dian)(dian)極材(cai)料(liao)的(de)(de)類(lei)型和(he)形(xing)式。超級電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)紋理電(dian)(dian)位電(dian)(dian)極材(cai)料(liao)研究以(yi)(yi)各種形(xing)式進行(xing)了報道(dao)。以(yi)(yi)活性炭為材(cai)料(liao)，如活性炭、石墨烯、碳(tan)納米結構，如管道(dao)和(he)纖維、來自(zi)碳(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)碳(tan)等(deng)。

　　此外，活(huo)性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)具有多(duo)孔結構豐富、雜原子自(zi)摻雜、物(wu)理化學穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)環保等(deng)優(you)點，廣(guang)泛(fan)應用(yong)于能源相關領域，以(yi)滿足能源供(gong)應的迫切(qie)需求(qiu)。截至目前，堅果(guo)殼、椰(ye)殼、木(mu)材(cai)、動物(wu)骨、纖維等(deng)各種活(huo)性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料(liao)已(yi)被廣(guang)泛(fan)用(yong)作制造(zao)電容器的前體(ti)。大多(duo)數報告稱，活(huo)性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的儲(chu)能性(xing)(xing)(xing)(xing)能超過了其(qi)他非活(huo)性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料(liao)的儲(chu)能性(xing)(xing)(xing)(xing)能。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極PTFE，乙炔(gui)碳黑(hei)10%，活性炭85%。將所(suo)有材料均(jun)勻混合，然后在(zai)1.4MPa將其壓在(zai)鎳泡沫基材上(shang)，然后在(zai)真空烘(hong)箱中(zhong)壓在(zai)110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)器(qi)上(shang)的活性物質(zhi)(zhi)量約為4.7mg·cm -2。6.通過(guo)多孔膜分(fen)離M KOH對(dui)稱雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池(chi)組裝電(dian)(dian)解質(zhi)(zhi)水溶液。采用循環伏安法(fa)(CV)，恒電(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)阻(zu)抗(kang)光(guang)譜(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)容性能(neng)。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的頻率范(fan)圍內mV在(zai)開路電(dian)(dian)位下測量范(fan)圍EIS光(guang)譜。所(suo)有電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)測量均(jun)在(zai)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)工(gong)作站進行。所(suo)有試驗均(jun)在(zai)室溫下進行。

　　活性炭的形狀和結構

　　四個活性炭樣(yang)品(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖(tu)(tu)譜(pu)顯示沒有尖(jian)銳和(he)強峰(如圖(tu)(tu)1所示)，表示所有活性炭樣(yang)品的(de)(de)非晶狀(zhuang)態(tai)。一方(fang)面位于23左(zuo)右°位于44的(de)(de)寬(kuan)峰和(he)寬(kuan)峰°弱(ruo)峰是(shi)無定形(xing)石(shi)墨碳的(de)(de)特征峰，表明LSC樣(yang)品的(de)(de)石(shi)墨化程度(du)有限(xian)。另一方(fang)面，以44°中心弱(ruo)峰的(de)(de)出現表明電(dian)導率的(de)(de)提高。特別地，LSC-1在44°與其他(ta)樣(yang)品相比(bi)，觀(guan)察到的(de)(de)尖(jian)銳峰值表明，LSC-石(shi)墨化程度(du)提高。

　　電化學表征活(huo)性炭

　　基于(yu)活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品(SC-LSC)的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)性(xing)(xing)，LSC-3和(he)(he)(he)LSC-4通(tong)過電(dian)(dian)化(hua)學技術序列進行(xing)評(ping)估，包括室溫下CV，GCD和(he)(he)(he)EIS測(ce)試。圖2顯示了(le)四個不同掃描(miao)速(su)率的(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)CV電(dian)(dian)勢窗的(de)(de)范圍為(wei)0-0.8V。如所(suo)(suo)見(jian)，所(suo)(suo)有(you)(you)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)在(zai)相(xiang)對(dui)較低的(de)(de)掃描(miao)速(su)率下具有(you)(you)理(li)想的(de)(de)矩形電(dian)(dian)容(rong)性(xing)(xing)能(neng)，即(ji)(ji)充電(dian)(dian) - 雙層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)器在(zai)放電(dian)(dian)過程中的(de)(de)典型性(xing)(xing)質。即(ji)(ji)使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)高掃描(miao)速(su)率下，如圖2所(suo)(suo)示d，SC-LSCs的(de)(de)CV由(you)于(yu)樣品的(de)(de)優良(liang)導電(dian)(dian)性(xing)(xing)和(he)(he)(he)低質量傳(chuan)輸(shu)電(dian)(dian)阻，曲(qu)線保持了(le)伏安曲(qu)線的(de)(de)準矩形狀，幾乎沒有(you)(you)變形。顯然，短離(li)子(zi)(zi)通(tong)道(dao)和(he)(he)(he)電(dian)(dian)解(jie)質儲層(ceng)的(de)(de)快(kuai)速(su)離(li)子(zi)(zi)運輸(shu)來(lai)自活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品的(de)(de)分(fen)層(ceng)孔(kong)結構。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)由(you)于(yu)理(li)想的(de)(de)分(fen)層(ceng)多孔(kong)結構和(he)(he)(he)活性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)高表面積而(er)顯示出*高的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)值。

　　碳化活化前，由(you)纖維材(cai)料(liao)合(he)成(cheng)四種活性炭。所(suo)有(you)制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)活性炭主(zhu)要表(biao)(biao)現為(wei)微孔結(jie)構。發現通過ZnCl 2活化法制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)活性炭表(biao)(biao)現出(chu)*大(da)的(de)比表(biao)(biao)面(mian)積，在所(suo)有(you)活性炭樣品中表(biao)(biao)現出(chu)*佳的(de)電(dian)(dian)(dian)化學性能(neng)，其中0.1A·g 的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對(dui)稱雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。隨著電(dian)(dian)(dian)流(liu)密度大(da)于(yu)(yu)1，這些活性炭基超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)僅大(da)于(yu)(yu)1A·g -而(er)略有(you)變化。所(suo)有(you)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)器在1中顯示出(chu)優異(yi)的(de)電(dian)(dian)(dian)化學穩定性A·g -1的(de) 充放電(dian)(dian)(dian)循(xun)環5000次后(hou)，LSC-1型超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)(rong)保持(chi)在92.6%以上。這些結(jie)果表(biao)(biao)明，纖維材(cai)料(liao)是(shi)合(he)理設計和制(zhi)(zhi)備(bei)具有(you)高(gao)表(biao)(biao)面(mian)積和優良電(dian)(dian)(dian)化學性能(neng)的(de)活性炭的(de)好候選人。