活性炭的電化學性能

　　能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)問(wen)題是21世(shi)紀活性(xing)(xing)炭電化(hua)學性(xing)(xing)能(neng)(neng)*顯著(zhu)(zhu)的(de)全(quan)球(qiu)挑戰之(zhi)一。全(quan)球(qiu)對(dui)(dui)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)供(gong)應(ying)和(he)環(huan)境(jing)保護的(de)需求(qiu)急劇增(zeng)(zeng)加(jia)，迫(po)使世(shi)界(jie)(jie)面臨經濟危機。據*近報(bao)道(dao)，全(quan)球(qiu)能(neng)(neng)耗(hao)每年約(yue)為4.1×10 20 J--其80%來自不可(ke)再生(sheng)(sheng)碳密(mi)集型化(hua)石(shi)(shi)燃(ran)(ran)料，包(bao)括煤(mei)、石(shi)(shi)油和(he)天然氣(qi)。過度(du)依(yi)賴(lai)燃(ran)(ran)燒化(hua)石(shi)(shi)燃(ran)(ran)料帶(dai)來了許(xu)多環(huan)境(jing)問(wen)題，增(zeng)(zeng)加(jia)了全(quan)球(qiu)經濟的(de)負(fu)擔。隨著(zhu)(zhu)世(shi)界(jie)(jie)的(de)不斷(duan)發展(zhan)，能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)需求(qiu)迅速增(zeng)(zeng)長，地球(qiu)不可(ke)再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)總量相當有限。因此(ci)，為了滿(man)足日益增(zeng)(zeng)長的(de)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)需求(qiu)，減少對(dui)(dui)環(huan)境(jing)的(de)應(ying)力，需要安(an)全(quan)、實用、可(ke)持續(xu)、性(xing)(xing)能(neng)(neng)良好的(de)能(neng)(neng)量轉換和(he)存儲設備。

　　電(dian)化學(xue)電(dian)容器(qi)*近引起了(le)人們的(de)極(ji)(ji)大興趣，包(bao)括顯(xian)著的(de)循(xun)環效率、預期(qi)的(de)循(xun)環壽命、快速充放電(dian)率和優良的(de)功率密度，以及(ji)便攜式電(dian)子、混合(he)電(dian)動汽車和存儲器(qi)的(de)備用設備。毫(hao)無(wu)疑(yi)問(wen)，活(huo)(huo)性炭雙(shuang)層電(dian)容器(qi)的(de)性能(neng)主(zhu)要取決于(yu)其電(dian)極(ji)(ji)材(cai)料的(de)類型和形式。超級電(dian)容器(qi)的(de)紋(wen)理電(dian)位電(dian)極(ji)(ji)材(cai)料研(yan)究以各種形式進行了(le)報道(dao)。以活(huo)(huo)性炭為材(cai)料，如活(huo)(huo)性炭、石(shi)墨烯、碳(tan)納米結(jie)構，如管道(dao)和纖維、來自碳(tan)化物(wu)的(de)碳(tan)等。

　　此外，活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)具有多孔(kong)結構豐富、雜原子自摻雜、物理化學穩定性(xing)(xing)(xing)和環保等優點，廣(guang)泛(fan)應用(yong)于能(neng)源相(xiang)關領域，以(yi)滿足能(neng)源供應的(de)(de)迫切需求。截至目前(qian)，堅果殼、椰殼、木材(cai)、動物骨(gu)、纖維等各種活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料已被廣(guang)泛(fan)用(yong)作(zuo)制造電容(rong)器的(de)(de)前(qian)體。大(da)多數報告稱，活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)儲能(neng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)超過了其他非活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料的(de)(de)儲能(neng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)PTFE，乙(yi)炔(gui)碳黑10%，活性炭(tan)85%。將所有(you)材(cai)料均勻(yun)混合，然(ran)后在(zai)(zai)(zai)1.4MPa將其壓在(zai)(zai)(zai)鎳(nie)泡沫(mo)基材(cai)上(shang)，然(ran)后在(zai)(zai)(zai)真空烘(hong)箱中壓在(zai)(zai)(zai)110℃干燥(zao)12小(xiao)時(shi)。每個集電(dian)(dian)(dian)器上(shang)的(de)(de)活性物質量約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜(mo)分離M KOH對稱(cheng)雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)(dian)解(jie)質水溶液。采用(yong)循(xun)環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)(dian)流充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)化學阻抗光譜(EIS)研究樣品的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容性能。在(zai)(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)(zai)5的(de)(de)頻率(lv)范圍(wei)內(nei)mV在(zai)(zai)(zai)開路電(dian)(dian)(dian)位下測量范圍(wei)EIS光譜。所有(you)電(dian)(dian)(dian)化學測量均在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)化學工作站進行(xing)(xing)。所有(you)試驗均在(zai)(zai)(zai)室溫(wen)下進行(xing)(xing)。

　　活(huo)性炭的形狀和結構(gou)

　　四(si)個活(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖(tu)譜顯示沒有尖銳和強峰(feng)(如(ru)圖(tu)1所示)，表(biao)示所有活(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品的(de)(de)非晶狀態。一(yi)(yi)方(fang)面位于23左右°位于44的(de)(de)寬(kuan)峰(feng)和寬(kuan)峰(feng)°弱(ruo)(ruo)峰(feng)是無定形石(shi)墨碳的(de)(de)特(te)征峰(feng)，表(biao)明LSC樣(yang)品的(de)(de)石(shi)墨化(hua)程度(du)有限。另一(yi)(yi)方(fang)面，以44°中心弱(ruo)(ruo)峰(feng)的(de)(de)出現表(biao)明電導率的(de)(de)提(ti)高。特(te)別(bie)地，LSC-1在44°與其(qi)他(ta)樣(yang)品相比，觀察到的(de)(de)尖銳峰(feng)值表(biao)明，LSC-石(shi)墨化(hua)程度(du)提(ti)高。

　　電化學表征活性炭

　　基于活性(xing)炭(tan)的(de)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)活性(xing)炭(tan)樣(yang)(yang)品(pin)(SC-LSC)的(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)，LSC-3和(he)(he)LSC-4通過電(dian)(dian)化學(xue)技術序(xu)列進行評(ping)估(gu)，包括(kuo)室溫下(xia)CV，GCD和(he)(he)EIS測試。圖2顯(xian)示(shi)了四個不同掃(sao)(sao)(sao)描(miao)速(su)率(lv)的(de)人(ren)SC-LSC的(de)CV電(dian)(dian)勢窗的(de)范(fan)圍為0-0.8V。如所見，所有(you)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)炭(tan)在相對較低(di)的(de)掃(sao)(sao)(sao)描(miao)速(su)率(lv)下(xia)具(ju)有(you)理想(xiang)的(de)矩(ju)形(xing)電(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)能，即(ji)充電(dian)(dian) - 雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)在放電(dian)(dian)過程中的(de)典型性(xing)質(zhi)。即(ji)使在500 mV·s -在1的(de)高(gao)掃(sao)(sao)(sao)描(miao)速(su)率(lv)下(xia)，如圖2所示(shi)d，SC-LSCs的(de)CV由于樣(yang)(yang)品(pin)的(de)優(you)良(liang)導(dao)電(dian)(dian)性(xing)和(he)(he)低(di)質(zhi)量(liang)傳輸(shu)電(dian)(dian)阻，曲線保持了伏安(an)曲線的(de)準矩(ju)形(xing)狀，幾乎(hu)沒有(you)變(bian)形(xing)。顯(xian)然，短離子通道(dao)和(he)(he)電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)儲層(ceng)的(de)快速(su)離子運輸(shu)來自(zi)活性(xing)炭(tan)樣(yang)(yang)品(pin)的(de)分層(ceng)孔(kong)結(jie)構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)炭(tan)由于理想(xiang)的(de)分層(ceng)多(duo)孔(kong)結(jie)構(gou)和(he)(he)活性(xing)炭(tan)的(de)高(gao)表面積而顯(xian)示(shi)出*高(gao)的(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)值(zhi)。

　　碳(tan)化(hua)活化(hua)前，由(you)纖(xian)維(wei)材料合成四種活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)。所(suo)(suo)有制(zhi)備(bei)的活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)主要表現(xian)為(wei)微孔結構(gou)。發現(xian)通過ZnCl 2活化(hua)法制(zhi)備(bei)的活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)表現(xian)出*大(da)的比表面(mian)積(ji)，在所(suo)(suo)有活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品中(zhong)表現(xian)出*佳的電(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)，其中(zhong)0.1A·g 的電(dian)容(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)極電(dian)池。隨著(zhu)電(dian)流(liu)密(mi)度大(da)于1，這(zhe)些活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)基超(chao)級電(dian)容(rong)器的電(dian)容(rong)僅大(da)于1A·g -而略有變(bian)化(hua)。所(suo)(suo)有超(chao)級電(dian)容(rong)器在1中(zhong)顯示出優(you)異的電(dian)化(hua)學穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的 充(chong)放電(dian)循(xun)環5000次后，LSC-1型超(chao)級電(dian)容(rong)器的電(dian)容(rong)保持在92.6%以上。這(zhe)些結果(guo)表明，纖(xian)維(wei)材料是合理設計和制(zhi)備(bei)具有高表面(mian)積(ji)和優(you)良電(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)的活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的好候選人。