活性炭的電(dian)化學性能(neng)

　　能(neng)(neng)(neng)(neng)源問題(ti)是21世紀活性炭電化學(xue)性能(neng)(neng)(neng)(neng)*顯著的(de)(de)全球挑戰之一。全球對(dui)能(neng)(neng)(neng)(neng)源供應和環(huan)境(jing)保護的(de)(de)需(xu)求急劇增(zeng)加(jia)，迫使世界(jie)面臨(lin)經濟危機。據*近報道，全球能(neng)(neng)(neng)(neng)耗每年約(yue)為4.1×10 20 J--其80%來自(zi)不可(ke)(ke)再生(sheng)碳密集型化石(shi)燃料(liao)，包(bao)括煤、石(shi)油和天(tian)然氣。過度依賴燃燒(shao)化石(shi)燃料(liao)帶來了許(xu)多(duo)環(huan)境(jing)問題(ti)，增(zeng)加(jia)了全球經濟的(de)(de)負擔。隨(sui)著世界(jie)的(de)(de)不斷發(fa)展，能(neng)(neng)(neng)(neng)源需(xu)求迅速增(zeng)長(chang)，地(di)球不可(ke)(ke)再生(sheng)能(neng)(neng)(neng)(neng)源總量相(xiang)當有限(xian)。因此(ci)，為了滿足(zu)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源需(xu)求，減少對(dui)環(huan)境(jing)的(de)(de)應力，需(xu)要安全、實(shi)用(yong)、可(ke)(ke)持續、性能(neng)(neng)(neng)(neng)良好的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉換和存儲設備。

　　電(dian)(dian)化學電(dian)(dian)容器*近引起了人們的(de)(de)(de)極(ji)大興趣，包括顯著的(de)(de)(de)循環效率(lv)、預期的(de)(de)(de)循環壽(shou)命、快速充放電(dian)(dian)率(lv)和(he)優良(liang)的(de)(de)(de)功率(lv)密度，以及便(bian)攜式電(dian)(dian)子(zi)、混合(he)電(dian)(dian)動汽車和(he)存儲器的(de)(de)(de)備(bei)用設備(bei)。毫無(wu)疑問(wen)，活(huo)性炭(tan)雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)性能主要(yao)取(qu)決于(yu)其電(dian)(dian)極(ji)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)類型(xing)和(he)形式。超級電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)紋理(li)電(dian)(dian)位電(dian)(dian)極(ji)材(cai)(cai)料研究以各種形式進行了報道(dao)。以活(huo)性炭(tan)為(wei)材(cai)(cai)料，如活(huo)性炭(tan)、石(shi)墨烯、碳(tan)(tan)納米結構，如管(guan)道(dao)和(he)纖維、來自碳(tan)(tan)化物的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)等。

　　此(ci)外(wai)，活性炭具有多孔結構豐富、雜原子自摻雜、物理化學穩定(ding)性和環保等優點，廣泛應用于能(neng)(neng)(neng)源相關(guan)領域，以滿足能(neng)(neng)(neng)源供應的(de)迫切(qie)需求。截至目前(qian)，堅(jian)果(guo)殼、椰殼、木(mu)材、動物骨、纖維等各種活性炭材料已被廣泛用作制造電容器(qi)的(de)前(qian)體。大多數報(bao)告稱，活性炭的(de)儲能(neng)(neng)(neng)性能(neng)(neng)(neng)超過(guo)了其(qi)他非活性炭材料的(de)儲能(neng)(neng)(neng)性能(neng)(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極PTFE，乙炔(gui)碳黑10%，活(huo)性炭85%。將所有材料均(jun)(jun)勻(yun)混合，然后在(zai)1.4MPa將其壓(ya)在(zai)鎳(nie)泡(pao)沫基(ji)材上(shang)，然后在(zai)真空烘箱中壓(ya)在(zai)110℃干燥(zao)12小(xiao)時。每個集(ji)電(dian)(dian)器上(shang)的活(huo)性物質量(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通過多(duo)孔膜分(fen)離(li)M KOH對(dui)稱(cheng)雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)解質水溶液(ye)。采用(yong)循環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)流充放(fang)電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)阻(zu)抗(kang)光譜(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)容性能。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的頻率范圍(wei)內mV在(zai)開路電(dian)(dian)位下(xia)測(ce)量(liang)范圍(wei)EIS光譜。所有電(dian)(dian)化(hua)學(xue)測(ce)量(liang)均(jun)(jun)在(zai)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)工作站進(jin)行。所有試驗均(jun)(jun)在(zai)室溫下(xia)進(jin)行。

　　活性炭的形狀和(he)結構

　　四個活(huo)性(xing)炭樣品(pin)(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖譜顯示(shi)沒有(you)尖銳和強峰(feng)(feng)(如(ru)圖1所示(shi))，表(biao)(biao)(biao)示(shi)所有(you)活(huo)性(xing)炭樣品(pin)的(de)(de)非晶狀態。一(yi)方面位于23左(zuo)右°位于44的(de)(de)寬(kuan)(kuan)峰(feng)(feng)和寬(kuan)(kuan)峰(feng)(feng)°弱(ruo)峰(feng)(feng)是無定(ding)形(xing)石墨碳的(de)(de)特(te)征峰(feng)(feng)，表(biao)(biao)(biao)明LSC樣品(pin)的(de)(de)石墨化(hua)程(cheng)度有(you)限(xian)。另一(yi)方面，以44°中心弱(ruo)峰(feng)(feng)的(de)(de)出現表(biao)(biao)(biao)明電導率的(de)(de)提高(gao)。特(te)別地(di)，LSC-1在(zai)44°與其他樣品(pin)相(xiang)比，觀察到的(de)(de)尖銳峰(feng)(feng)值表(biao)(biao)(biao)明，LSC-石墨化(hua)程(cheng)度提高(gao)。

　　電化學(xue)表征(zheng)活性炭

　　基(ji)于(yu)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭樣(yang)品(pin)(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容性(xing)(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通過電(dian)(dian)化學技術序(xu)列(lie)進(jin)行(xing)評估(gu)，包括室溫下CV，GCD和EIS測試。圖2顯示(shi)了四個不(bu)同(tong)掃描(miao)速率的(de)(de)(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所見，所有(you)超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭在(zai)相對較低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)掃描(miao)速率下具有(you)理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)矩形(xing)電(dian)(dian)容性(xing)(xing)(xing)能，即充電(dian)(dian) - 雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容器在(zai)放電(dian)(dian)過程中的(de)(de)(de)(de)(de)典(dian)型性(xing)(xing)(xing)質(zhi)。即使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)掃描(miao)速率下，如圖2所示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)(de)CV由于(yu)樣(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)優良導電(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)和低(di)質(zhi)量(liang)傳輸電(dian)(dian)阻，曲線保(bao)持了伏安曲線的(de)(de)(de)(de)(de)準矩形(xing)狀，幾(ji)乎沒有(you)變形(xing)。顯然(ran)，短(duan)離子通道和電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)儲層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)快速離子運輸來自活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭樣(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)孔結構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭由于(yu)理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)多孔結構(gou)和活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)表(biao)面積(ji)而(er)顯示(shi)出*高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容值。

　　碳化(hua)(hua)(hua)活(huo)化(hua)(hua)(hua)前，由(you)纖(xian)維材料(liao)合(he)成四種活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)。所(suo)有(you)制備(bei)的(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)主要(yao)表(biao)現(xian)為(wei)微孔結構。發(fa)現(xian)通過ZnCl 2活(huo)化(hua)(hua)(hua)法(fa)制備(bei)的(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)表(biao)現(xian)出(chu)*大的(de)比表(biao)面積，在所(suo)有(you)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)樣(yang)品中表(biao)現(xian)出(chu)*佳的(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)性(xing)能(neng)，其中0.1A·g 的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)池。隨(sui)著電(dian)(dian)(dian)流密度大于1，這些活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)基(ji)超級電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)僅大于1A·g -而略有(you)變化(hua)(hua)(hua)。所(suo)有(you)超級電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器在1中顯示出(chu)優異的(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)穩(wen)定性(xing)A·g -1的(de) 充放(fang)電(dian)(dian)(dian)循(xun)環5000次后，LSC-1型(xing)超級電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)保(bao)持在92.6%以(yi)上(shang)。這些結果表(biao)明，纖(xian)維材料(liao)是合(he)理設(she)計和(he)(he)制備(bei)具有(you)高表(biao)面積和(he)(he)優良電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)性(xing)能(neng)的(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)(tan)的(de)好候選人。