活性炭的電化學性能

　　能(neng)源(yuan)問題(ti)是(shi)21世紀活性(xing)(xing)炭電化學性(xing)(xing)能(neng)*顯著(zhu)的全(quan)(quan)(quan)球(qiu)(qiu)挑戰之(zhi)一(yi)。全(quan)(quan)(quan)球(qiu)(qiu)對(dui)能(neng)源(yuan)供應(ying)和(he)(he)環(huan)境保護的需求急劇(ju)增(zeng)加(jia)，迫使世界面(mian)臨經(jing)濟危機。據*近報道，全(quan)(quan)(quan)球(qiu)(qiu)能(neng)耗(hao)每年約為(wei)4.1×10 20 J--其(qi)80%來自不可(ke)再生(sheng)碳(tan)密集型化石(shi)燃料，包括(kuo)煤、石(shi)油和(he)(he)天然氣。過度依賴燃燒化石(shi)燃料帶來了(le)(le)許多環(huan)境問題(ti)，增(zeng)加(jia)了(le)(le)全(quan)(quan)(quan)球(qiu)(qiu)經(jing)濟的負擔(dan)。隨著(zhu)世界的不斷發展，能(neng)源(yuan)需求迅速(su)增(zeng)長(chang)(chang)，地球(qiu)(qiu)不可(ke)再生(sheng)能(neng)源(yuan)總量(liang)相當有限。因此(ci)，為(wei)了(le)(le)滿足日益增(zeng)長(chang)(chang)的能(neng)源(yuan)需求，減(jian)少對(dui)環(huan)境的應(ying)力，需要安全(quan)(quan)(quan)、實用、可(ke)持續、性(xing)(xing)能(neng)良(liang)好的能(neng)量(liang)轉換和(he)(he)存儲設備。

　　電(dian)(dian)化(hua)學電(dian)(dian)容(rong)器(qi)*近引(yin)起了人們的(de)極大興趣，包括顯著的(de)循環效率、預期的(de)循環壽命、快速(su)充放電(dian)(dian)率和(he)優良的(de)功(gong)率密(mi)度，以及便攜式電(dian)(dian)子、混合電(dian)(dian)動汽車和(he)存儲器(qi)的(de)備用設備。毫無(wu)疑問，活性炭(tan)雙(shuang)層電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)性能主要取(qu)決于其(qi)電(dian)(dian)極材料(liao)的(de)類型和(he)形(xing)式。超級(ji)電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)紋理電(dian)(dian)位電(dian)(dian)極材料(liao)研(yan)究以各種(zhong)形(xing)式進行(xing)了報道。以活性炭(tan)為(wei)材料(liao)，如(ru)活性炭(tan)、石(shi)墨烯、碳(tan)納(na)米結(jie)構，如(ru)管道和(he)纖(xian)維、來(lai)自碳(tan)化(hua)物的(de)碳(tan)等(deng)。

　　此(ci)外，活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)具有多(duo)(duo)孔結(jie)構豐(feng)富、雜(za)原(yuan)子(zi)自摻(chan)雜(za)、物理(li)化學穩定性(xing)(xing)和環保等(deng)優(you)點，廣泛(fan)應用于能源(yuan)相關(guan)領域，以滿足能源(yuan)供應的迫切需求。截至目前，堅果殼、椰殼、木材(cai)、動物骨、纖維(wei)等(deng)各種活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)材(cai)料已被廣泛(fan)用作制造電(dian)容器的前體。大多(duo)(duo)數(shu)報告稱，活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的儲能性(xing)(xing)能超(chao)過了其他非活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)材(cai)料的儲能性(xing)(xing)能。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)電(dian)(dian)(dian)極(ji)PTFE，乙(yi)炔碳黑(hei)10%，活性炭85%。將(jiang)所(suo)有(you)(you)材料均(jun)(jun)勻(yun)混合，然(ran)后在1.4MPa將(jiang)其壓在鎳泡沫基材上，然(ran)后在真空烘箱中(zhong)壓在110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)(dian)器上的(de)活性物質(zhi)量(liang)(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通過多(duo)孔(kong)膜分離M KOH對(dui)稱雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)池組裝(zhuang)電(dian)(dian)(dian)解(jie)質(zhi)水溶液。采用循環伏安法(CV)，恒(heng)電(dian)(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)化學(xue)阻抗光(guang)譜(pu)(EIS)研究樣品的(de)電(dian)(dian)(dian)容性能。在0.01Hz-100KHz在5的(de)頻率范圍內(nei)mV在開(kai)路電(dian)(dian)(dian)位下(xia)測(ce)量(liang)(liang)范圍EIS光(guang)譜(pu)。所(suo)有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)化學(xue)測(ce)量(liang)(liang)均(jun)(jun)在電(dian)(dian)(dian)化學(xue)工作(zuo)站(zhan)進行。所(suo)有(you)(you)試(shi)驗均(jun)(jun)在室溫下(xia)進行。

　　活性(xing)炭的(de)形狀和結(jie)構(gou)

　　四個活性炭樣品(pin)(pin)(LSC-1-4)的(de)XRD圖譜顯(xian)示沒(mei)有(you)尖(jian)銳(rui)和(he)強峰(feng)(如(ru)圖1所(suo)示)，表(biao)示所(suo)有(you)活性炭樣品(pin)(pin)的(de)非晶狀態。一(yi)方面位于23左右°位于44的(de)寬(kuan)峰(feng)和(he)寬(kuan)峰(feng)°弱峰(feng)是無(wu)定形石墨碳的(de)特(te)征(zheng)峰(feng)，表(biao)明LSC樣品(pin)(pin)的(de)石墨化程度有(you)限。另一(yi)方面，以44°中心弱峰(feng)的(de)出現表(biao)明電(dian)導率(lv)的(de)提高。特(te)別地(di)，LSC-1在44°與(yu)其(qi)他樣品(pin)(pin)相比，觀(guan)察到的(de)尖(jian)銳(rui)峰(feng)值表(biao)明，LSC-石墨化程度提高。

　　電化學表征活性炭

　　基于活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)超(chao)級電(dian)容(rong)器的(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品(pin)(SC-LSC)的(de)電(dian)容(rong)性(xing)(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通過電(dian)化學技(ji)術序列進行評(ping)估(gu)，包括(kuo)室(shi)溫下CV，GCD和EIS測試。圖2顯(xian)示(shi)了(le)四個不(bu)同掃(sao)描速(su)率的(de)人SC-LSC的(de)CV電(dian)勢窗的(de)范圍(wei)為0-0.8V。如所見，所有超(chao)級電(dian)容(rong)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)在相對較低的(de)掃(sao)描速(su)率下具有理想(xiang)的(de)矩形(xing)電(dian)容(rong)性(xing)(xing)(xing)能，即充電(dian) - 雙層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)電(dian)容(rong)器在放電(dian)過程中的(de)典型性(xing)(xing)(xing)質(zhi)(zhi)。即使在500 mV·s -在1的(de)高掃(sao)描速(su)率下，如圖2所示(shi)d，SC-LSCs的(de)CV由于樣品(pin)的(de)優良導電(dian)性(xing)(xing)(xing)和低質(zhi)(zhi)量傳輸(shu)電(dian)阻，曲線保持了(le)伏安(an)曲線的(de)準矩形(xing)狀(zhuang)，幾乎沒有變形(xing)。顯(xian)然(ran)，短離子通道和電(dian)解質(zhi)(zhi)儲(chu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)快速(su)離子運輸(shu)來自活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品(pin)的(de)分層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)孔結構(gou)(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)容(rong)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)由于理想(xiang)的(de)分層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)多孔結構(gou)(gou)和活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)高表(biao)面積而顯(xian)示(shi)出(chu)*高的(de)電(dian)容(rong)值。

　　碳化(hua)活(huo)(huo)化(hua)前(qian)，由纖維材料合成(cheng)四種活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)。所有(you)(you)制(zhi)備(bei)的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)主要(yao)表(biao)(biao)現為微孔結構。發現通過(guo)ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)法制(zhi)備(bei)的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)表(biao)(biao)現出*大的(de)比表(biao)(biao)面(mian)積(ji)，在(zai)(zai)所有(you)(you)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品中表(biao)(biao)現出*佳的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，其(qi)中0.1A·g 的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)為107.4F·g -1 -1.對稱(cheng)雙電(dian)(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)流密度大于(yu)1，這些活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)基超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)僅大于(yu)1A·g -而(er)略有(you)(you)變化(hua)。所有(you)(you)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器在(zai)(zai)1中顯示出優(you)異的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de) 充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)循環5000次后，LSC-1型(xing)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)保持在(zai)(zai)92.6%以上。這些結果表(biao)(biao)明，纖維材料是合理設(she)計和(he)制(zhi)備(bei)具(ju)有(you)(you)高表(biao)(biao)面(mian)積(ji)和(he)優(you)良電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)好(hao)候(hou)選人。