活性(xing)炭的(de)電化學性(xing)能(neng)

　　能(neng)(neng)(neng)(neng)源問題是21世(shi)紀(ji)活(huo)性(xing)炭(tan)電化學(xue)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)*顯著的(de)全球挑戰之一。全球對能(neng)(neng)(neng)(neng)源供應(ying)和(he)環(huan)境(jing)(jing)保護(hu)的(de)需求急(ji)劇增(zeng)(zeng)加，迫使(shi)世(shi)界面臨經濟(ji)危機。據*近報(bao)道，全球能(neng)(neng)(neng)(neng)耗(hao)每年約為4.1×10 20 J--其80%來自不可(ke)再生(sheng)碳密集型(xing)化石燃(ran)料，包括煤、石油和(he)天然氣(qi)。過度依(yi)賴燃(ran)燒化石燃(ran)料帶來了(le)許多環(huan)境(jing)(jing)問題，增(zeng)(zeng)加了(le)全球經濟(ji)的(de)負擔。隨著世(shi)界的(de)不斷(duan)發展(zhan)，能(neng)(neng)(neng)(neng)源需求迅速增(zeng)(zeng)長，地球不可(ke)再生(sheng)能(neng)(neng)(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)(neng)(neng)源需求，減(jian)少對環(huan)境(jing)(jing)的(de)應(ying)力，需要安全、實用、可(ke)持續(xu)、性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)良好的(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉換和(he)存儲設備。

　　電(dian)(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)(qi)*近(jin)引(yin)起(qi)了(le)人們的極(ji)大興趣，包括顯著的循環(huan)(huan)效率、預(yu)期(qi)的循環(huan)(huan)壽命、快速充放電(dian)(dian)(dian)(dian)率和(he)優良的功(gong)率密度，以及便攜式電(dian)(dian)(dian)(dian)子、混合電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽車和(he)存(cun)儲(chu)器(qi)(qi)的備用(yong)設備。毫無疑問，活性炭(tan)雙層電(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)(qi)的性能主要(yao)取決(jue)于其電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)材(cai)料的類型和(he)形式。超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)(qi)的紋理電(dian)(dian)(dian)(dian)位電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)材(cai)料研究以各種形式進(jin)行了(le)報道。以活性炭(tan)為材(cai)料，如活性炭(tan)、石墨烯、碳納米結構(gou)，如管道和(he)纖(xian)維、來自碳化物的碳等(deng)。

　　此外(wai)，活性(xing)炭(tan)具有(you)多孔結(jie)構豐富、雜原子自摻雜、物(wu)理化(hua)學(xue)穩定性(xing)和環保(bao)等優(you)點，廣泛(fan)應(ying)用于能(neng)源(yuan)(yuan)相關領域，以(yi)滿足能(neng)源(yuan)(yuan)供應(ying)的(de)(de)迫切(qie)需求(qiu)。截至目前(qian)，堅果(guo)殼(ke)(ke)、椰(ye)殼(ke)(ke)、木材、動物(wu)骨、纖維等各種活性(xing)炭(tan)材料已被廣泛(fan)用作(zuo)制(zhi)造電容器(qi)的(de)(de)前(qian)體(ti)。大(da)多數報告稱，活性(xing)炭(tan)的(de)(de)儲能(neng)性(xing)能(neng)超(chao)過了其他非活性(xing)炭(tan)材料的(de)(de)儲能(neng)性(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)(de)電(dian)(dian)極PTFE，乙炔碳黑10%，活(huo)性炭(tan)85%。將(jiang)(jiang)所(suo)有材(cai)料(liao)均(jun)勻混合，然后在(zai)1.4MPa將(jiang)(jiang)其壓(ya)(ya)在(zai)鎳泡沫(mo)基材(cai)上，然后在(zai)真空烘箱中壓(ya)(ya)在(zai)110℃干燥12小(xiao)時(shi)。每個集電(dian)(dian)器上的(de)(de)活(huo)性物(wu)質(zhi)量約為4.7mg·cm -2。6.通(tong)過多孔膜分離M KOH對(dui)稱雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)解質(zhi)水溶液。采(cai)用循環伏(fu)安法(CV)，恒電(dian)(dian)流充(chong)放電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化學(xue)(xue)阻抗光(guang)譜(EIS)研究樣品的(de)(de)電(dian)(dian)容性能(neng)。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的(de)(de)頻率(lv)范圍(wei)(wei)內mV在(zai)開路(lu)電(dian)(dian)位下(xia)測量范圍(wei)(wei)EIS光(guang)譜。所(suo)有電(dian)(dian)化學(xue)(xue)測量均(jun)在(zai)電(dian)(dian)化學(xue)(xue)工作站進行(xing)。所(suo)有試驗均(jun)在(zai)室(shi)溫下(xia)進行(xing)。

　　活(huo)性炭(tan)的形狀和結構

　　四個(ge)活性炭樣(yang)(yang)品(LSC-1-4)的(de)XRD圖(tu)譜顯(xian)示沒有尖銳(rui)和(he)強(qiang)峰(feng)(feng)(feng)(如圖(tu)1所示)，表(biao)示所有活性炭樣(yang)(yang)品的(de)非晶狀態。一(yi)方面位(wei)于23左右°位(wei)于44的(de)寬(kuan)峰(feng)(feng)(feng)和(he)寬(kuan)峰(feng)(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)(feng)是無定形(xing)石墨碳的(de)特征峰(feng)(feng)(feng)，表(biao)明LSC樣(yang)(yang)品的(de)石墨化(hua)程度(du)(du)有限(xian)。另一(yi)方面，以44°中心弱峰(feng)(feng)(feng)的(de)出(chu)現表(biao)明電導率的(de)提(ti)高(gao)(gao)。特別地(di)，LSC-1在(zai)44°與其他樣(yang)(yang)品相比，觀(guan)察到的(de)尖銳(rui)峰(feng)(feng)(feng)值表(biao)明，LSC-石墨化(hua)程度(du)(du)提(ti)高(gao)(gao)。

　　電化(hua)學表(biao)征活性炭

　　基(ji)于活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)樣(yang)品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)性(xing)，LSC-3和(he)LSC-4通(tong)(tong)過(guo)電(dian)化學技術序列進行(xing)評估，包括(kuo)室溫(wen)下(xia)(xia)CV，GCD和(he)EIS測試。圖(tu)2顯(xian)示(shi)了(le)四個不(bu)同掃(sao)(sao)描速率的(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)CV電(dian)勢(shi)窗(chuang)的(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所(suo)(suo)見，所(suo)(suo)有超(chao)級電(dian)容(rong)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)在(zai)(zai)相對較低(di)的(de)(de)(de)掃(sao)(sao)描速率下(xia)(xia)具有理(li)想的(de)(de)(de)矩形電(dian)容(rong)性(xing)能(neng)，即(ji)充(chong)電(dian) - 雙(shuang)層電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)(zai)放電(dian)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)(de)典型性(xing)質。即(ji)使在(zai)(zai)500 mV·s -在(zai)(zai)1的(de)(de)(de)高掃(sao)(sao)描速率下(xia)(xia)，如圖(tu)2所(suo)(suo)示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)CV由于樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)優良導電(dian)性(xing)和(he)低(di)質量傳(chuan)輸電(dian)阻(zu)，曲(qu)線(xian)保持了(le)伏安曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)準矩形狀，幾乎(hu)沒(mei)有變形。顯(xian)然，短離(li)子通(tong)(tong)道和(he)電(dian)解質儲層的(de)(de)(de)快(kuai)速離(li)子運輸來自活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)層孔結構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)容(rong)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)由于理(li)想的(de)(de)(de)分(fen)(fen)層多孔結構(gou)和(he)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)高表(biao)面積而顯(xian)示(shi)出*高的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)值。

　　碳化(hua)活(huo)(huo)化(hua)前，由纖(xian)維材(cai)(cai)料合成四種活(huo)(huo)性炭(tan)。所(suo)有制備(bei)的(de)活(huo)(huo)性炭(tan)主要表(biao)(biao)現為(wei)微孔結構(gou)。發現通過ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)法(fa)制備(bei)的(de)活(huo)(huo)性炭(tan)表(biao)(biao)現出*大的(de)比表(biao)(biao)面(mian)積(ji)，在(zai)(zai)所(suo)有活(huo)(huo)性炭(tan)樣品中表(biao)(biao)現出*佳的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)性能(neng)，其中0.1A·g 的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)密度大于1，這(zhe)些(xie)活(huo)(huo)性炭(tan)基超級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)僅大于1A·g -而略有變(bian)化(hua)。所(suo)有超級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器在(zai)(zai)1中顯示(shi)出優異的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)穩定性A·g -1的(de) 充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)循(xun)環5000次后，LSC-1型超級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)保(bao)持在(zai)(zai)92.6%以上(shang)。這(zhe)些(xie)結果表(biao)(biao)明，纖(xian)維材(cai)(cai)料是合理設計和制備(bei)具(ju)有高表(biao)(biao)面(mian)積(ji)和優良電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)性能(neng)的(de)活(huo)(huo)性炭(tan)的(de)好候選(xuan)人(ren)。