活性炭的電化(hua)學性能(neng)

　　能(neng)源問題是21世(shi)紀活性炭電化學性能(neng)*顯(xian)著的全(quan)球(qiu)(qiu)挑戰之(zhi)一。全(quan)球(qiu)(qiu)對能(neng)源供應和環境保護的需求急劇增(zeng)加，迫使世(shi)界(jie)面臨經濟(ji)危機。據*近報道(dao)，全(quan)球(qiu)(qiu)能(neng)耗每年約為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)可再生碳密集(ji)型化石燃(ran)料，包括煤、石油和天(tian)然氣。過度(du)依賴燃(ran)燒化石燃(ran)料帶來了許多環境問題，增(zeng)加了全(quan)球(qiu)(qiu)經濟(ji)的負擔。隨著世(shi)界(jie)的不(bu)斷發展，能(neng)源需求迅速增(zeng)長，地球(qiu)(qiu)不(bu)可再生能(neng)源總量相當有限。因此，為(wei)了滿足日益(yi)增(zeng)長的能(neng)源需求，減少對環境的應力，需要安全(quan)、實用(yong)、可持續、性能(neng)良好的能(neng)量轉(zhuan)換和存(cun)儲設(she)備。

　　電(dian)(dian)化學電(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)*近引起了人(ren)們(men)的(de)極大興趣，包(bao)括(kuo)顯著的(de)循環效(xiao)率、預期的(de)循環壽命(ming)、快速充(chong)放電(dian)(dian)率和優良(liang)的(de)功率密(mi)度(du)，以及便(bian)攜式(shi)(shi)電(dian)(dian)子、混(hun)合電(dian)(dian)動汽(qi)車和存儲器(qi)(qi)的(de)備(bei)用設備(bei)。毫無疑(yi)問，活(huo)性炭雙層電(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)的(de)性能主要取決于其電(dian)(dian)極材(cai)料的(de)類(lei)型和形式(shi)(shi)。超級(ji)電(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)的(de)紋(wen)理電(dian)(dian)位(wei)電(dian)(dian)極材(cai)料研究以各種形式(shi)(shi)進行了報道(dao)。以活(huo)性炭為(wei)材(cai)料，如(ru)(ru)活(huo)性炭、石墨烯、碳(tan)納(na)米(mi)結構，如(ru)(ru)管道(dao)和纖維、來(lai)自碳(tan)化物(wu)的(de)碳(tan)等。

　　此外，活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)具有多(duo)孔結構豐富、雜原子自摻(chan)雜、物(wu)理化學穩定(ding)性(xing)(xing)和環保等優(you)點，廣(guang)泛(fan)應用于能(neng)源相關領域，以滿足能(neng)源供(gong)應的(de)(de)迫切需求。截至目前(qian)，堅果殼(ke)、椰(ye)殼(ke)、木材(cai)、動(dong)物(wu)骨(gu)、纖(xian)維等各種(zhong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料已被廣(guang)泛(fan)用作制造電容器的(de)(de)前(qian)體。大多(duo)數報(bao)告稱，活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)儲能(neng)性(xing)(xing)能(neng)超過了(le)其他(ta)非活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料的(de)(de)儲能(neng)性(xing)(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電極(ji)PTFE，乙炔碳黑10%，活性炭(tan)85%。將所(suo)有(you)材(cai)料均勻混(hun)合，然后在(zai)1.4MPa將其(qi)壓(ya)(ya)在(zai)鎳(nie)泡沫基(ji)材(cai)上，然后在(zai)真空烘箱中壓(ya)(ya)在(zai)110℃干燥12小時(shi)。每個集電器上的活性物質(zhi)量約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜(mo)分(fen)離(li)M KOH對(dui)稱(cheng)雙電極(ji)電池組裝電解質(zhi)水溶液。采用循(xun)環伏安法(CV)，恒電流(liu)充放電(GCD)電化(hua)(hua)學阻抗(kang)光譜(EIS)研究樣品的電容性能。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的頻(pin)率范圍內(nei)mV在(zai)開路電位下測(ce)量范圍EIS光譜。所(suo)有(you)電化(hua)(hua)學測(ce)量均在(zai)電化(hua)(hua)學工作站進(jin)(jin)行。所(suo)有(you)試驗均在(zai)室溫(wen)下進(jin)(jin)行。

　　活(huo)性(xing)炭的(de)形狀(zhuang)和結構(gou)

　　四個活性(xing)炭樣(yang)品(pin)(pin)(LSC-1-4)的(de)XRD圖(tu)譜(pu)顯(xian)示(shi)沒有尖銳和強峰(feng)(如圖(tu)1所示(shi))，表示(shi)所有活性(xing)炭樣(yang)品(pin)(pin)的(de)非晶(jing)狀態(tai)。一方(fang)面位于(yu)23左右(you)°位于(yu)44的(de)寬(kuan)峰(feng)和寬(kuan)峰(feng)°弱峰(feng)是無定形(xing)石(shi)墨碳的(de)特(te)征峰(feng)，表明(ming)(ming)LSC樣(yang)品(pin)(pin)的(de)石(shi)墨化(hua)程(cheng)度有限。另一方(fang)面，以44°中心弱峰(feng)的(de)出(chu)現表明(ming)(ming)電導(dao)率的(de)提高(gao)。特(te)別地(di)，LSC-1在44°與(yu)其(qi)他樣(yang)品(pin)(pin)相比(bi)，觀察到的(de)尖銳峰(feng)值表明(ming)(ming)，LSC-石(shi)墨化(hua)程(cheng)度提高(gao)。

　　電化(hua)學表征(zheng)活性(xing)炭

　　基(ji)于活(huo)性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)級(ji)電容(rong)(rong)(rong)器的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)炭樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)(de)電容(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通過(guo)電化學(xue)技術序列進行評估，包括室溫下(xia)CV，GCD和EIS測試。圖2顯示(shi)了(le)(le)四(si)個不同掃描速(su)率的(de)(de)(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)(de)(de)CV電勢(shi)窗的(de)(de)(de)(de)(de)范(fan)圍為0-0.8V。如(ru)所(suo)(suo)見，所(suo)(suo)有(you)超(chao)(chao)級(ji)電容(rong)(rong)(rong)活(huo)性(xing)(xing)炭在相對較低的(de)(de)(de)(de)(de)掃描速(su)率下(xia)具有(you)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)矩(ju)形電容(rong)(rong)(rong)性(xing)(xing)能(neng)，即充(chong)電 - 雙層(ceng)電容(rong)(rong)(rong)器在放電過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)典型性(xing)(xing)質(zhi)。即使在500 mV·s -在1的(de)(de)(de)(de)(de)高掃描速(su)率下(xia)，如(ru)圖2所(suo)(suo)示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)(de)CV由于樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)優良導(dao)電性(xing)(xing)和低質(zhi)量傳輸電阻，曲線(xian)保持了(le)(le)伏安曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)準矩(ju)形狀，幾乎沒有(you)變形。顯然，短(duan)離子通道(dao)和電解質(zhi)儲層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)離子運輸來自活(huo)性(xing)(xing)炭樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)孔(kong)(kong)結(jie)構。類似地(di)，超(chao)(chao)級(ji)電容(rong)(rong)(rong)活(huo)性(xing)(xing)炭由于理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)多孔(kong)(kong)結(jie)構和活(huo)性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)高表(biao)面積而(er)顯示(shi)出(chu)*高的(de)(de)(de)(de)(de)電容(rong)(rong)(rong)值。

　　碳化(hua)(hua)活(huo)化(hua)(hua)前，由纖(xian)維(wei)材料(liao)合成四種活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)。所(suo)有(you)制備的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)主要表(biao)(biao)(biao)現(xian)為(wei)微(wei)孔結構。發現(xian)通過ZnCl 2活(huo)化(hua)(hua)法制備的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)表(biao)(biao)(biao)現(xian)出(chu)*大(da)的(de)(de)(de)比(bi)表(biao)(biao)(biao)面積，在所(suo)有(you)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品中(zhong)表(biao)(biao)(biao)現(xian)出(chu)*佳的(de)(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能，其中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱(cheng)雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池。隨(sui)著電(dian)(dian)流密度(du)大(da)于(yu)1，這(zhe)些活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)基超級(ji)電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容僅大(da)于(yu)1A·g -而略有(you)變化(hua)(hua)。所(suo)有(you)超級(ji)電(dian)(dian)容器在1中(zhong)顯示出(chu)優異(yi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de)(de)(de) 充放電(dian)(dian)循環5000次后，LSC-1型(xing)超級(ji)電(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容保(bao)持在92.6%以上。這(zhe)些結果(guo)表(biao)(biao)(biao)明，纖(xian)維(wei)材料(liao)是(shi)合理設計和制備具有(you)高表(biao)(biao)(biao)面積和優良(liang)電(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)好候選人。