活性炭的電化學性能

　　能(neng)(neng)(neng)源問題(ti)(ti)是21世紀活性炭電化學(xue)性能(neng)(neng)(neng)*顯著的(de)(de)(de)全(quan)球(qiu)挑戰之一。全(quan)球(qiu)對(dui)能(neng)(neng)(neng)源供應(ying)和(he)環境(jing)(jing)保護的(de)(de)(de)需(xu)求急劇增(zeng)加(jia)，迫使世界面(mian)臨(lin)經濟危機(ji)。據*近報道，全(quan)球(qiu)能(neng)(neng)(neng)耗每年(nian)約(yue)為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)可再生碳密集型化石燃(ran)料(liao)，包括煤(mei)、石油和(he)天然(ran)氣。過度(du)依(yi)賴燃(ran)燒化石燃(ran)料(liao)帶來了許多環境(jing)(jing)問題(ti)(ti)，增(zeng)加(jia)了全(quan)球(qiu)經濟的(de)(de)(de)負(fu)擔。隨著世界的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)發展，能(neng)(neng)(neng)源需(xu)求迅速增(zeng)長(chang)，地球(qiu)不(bu)可再生能(neng)(neng)(neng)源總量相當(dang)有(you)限。因此，為(wei)了滿足日益增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源需(xu)求，減少對(dui)環境(jing)(jing)的(de)(de)(de)應(ying)力，需(xu)要安全(quan)、實用、可持續、性能(neng)(neng)(neng)良好的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量轉換和(he)存儲設備。

　　電(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)容(rong)器*近(jin)引起(qi)了人們的(de)(de)極大興趣，包括顯著的(de)(de)循環(huan)效率、預期的(de)(de)循環(huan)壽命(ming)、快速充放電(dian)(dian)(dian)率和(he)(he)優良的(de)(de)功率密度，以(yi)及(ji)便攜式(shi)電(dian)(dian)(dian)子、混合電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)和(he)(he)存(cun)儲器的(de)(de)備(bei)用設備(bei)。毫(hao)無疑問，活(huo)性(xing)炭(tan)雙層電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)性(xing)能(neng)主要取決于其電(dian)(dian)(dian)極材料(liao)的(de)(de)類型和(he)(he)形(xing)(xing)式(shi)。超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)紋(wen)理(li)電(dian)(dian)(dian)位電(dian)(dian)(dian)極材料(liao)研究以(yi)各種形(xing)(xing)式(shi)進行了報道。以(yi)活(huo)性(xing)炭(tan)為(wei)材料(liao)，如(ru)活(huo)性(xing)炭(tan)、石墨烯、碳納米結構，如(ru)管道和(he)(he)纖(xian)維、來(lai)自碳化物的(de)(de)碳等。

　　此外，活(huo)性(xing)炭(tan)具有多(duo)孔結構豐富、雜(za)原(yuan)子自摻雜(za)、物理化學穩定(ding)性(xing)和(he)環(huan)保等優點(dian)，廣(guang)泛應用(yong)于能(neng)(neng)源(yuan)相關(guan)領域(yu)，以滿足(zu)能(neng)(neng)源(yuan)供應的(de)迫(po)切需求。截至目前(qian)(qian)，堅果殼、椰殼、木材、動物骨、纖維等各種(zhong)活(huo)性(xing)炭(tan)材料已被(bei)廣(guang)泛用(yong)作制造電容器的(de)前(qian)(qian)體。大多(duo)數報(bao)告稱，活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)儲能(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)超過了其他(ta)非活(huo)性(xing)炭(tan)材料的(de)儲能(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)PTFE，乙炔(gui)碳黑10%，活(huo)性(xing)炭85%。將所(suo)有(you)(you)材(cai)料(liao)均勻混合，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)(zai)1.4MPa將其壓(ya)在(zai)(zai)(zai)鎳泡沫基材(cai)上，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)(zai)真空烘箱中壓(ya)在(zai)(zai)(zai)110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)(dian)器上的活(huo)性(xing)物質量(liang)約為(wei)4.7mg·cm -2。6.通過(guo)多孔膜(mo)分離M KOH對稱雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)(dian)解質水溶液(ye)。采用循環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)(dian)流充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)阻(zu)抗光譜(pu)(pu)(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)(dian)容性(xing)能。在(zai)(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)(zai)5的頻(pin)率范圍(wei)內(nei)mV在(zai)(zai)(zai)開路電(dian)(dian)(dian)位下測(ce)量(liang)范圍(wei)EIS光譜(pu)(pu)。所(suo)有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)測(ce)量(liang)均在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)工(gong)作站進行。所(suo)有(you)(you)試驗(yan)均在(zai)(zai)(zai)室溫下進行。

　　活性炭的(de)形狀和結構(gou)

　　四個活性炭樣(yang)品(LSC-1-4)的(de)XRD圖譜顯示(shi)沒有(you)尖銳和(he)強(qiang)峰(feng)(feng)(如圖1所示(shi))，表示(shi)所有(you)活性炭樣(yang)品的(de)非晶(jing)狀態。一方面位于(yu)23左右°位于(yu)44的(de)寬峰(feng)(feng)和(he)寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是無(wu)定形(xing)石墨碳的(de)特征(zheng)峰(feng)(feng)，表明(ming)LSC樣(yang)品的(de)石墨化(hua)程(cheng)(cheng)度有(you)限。另一方面，以(yi)44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)出現表明(ming)電導(dao)率的(de)提高。特別地，LSC-1在44°與其他(ta)樣(yang)品相比，觀察到的(de)尖銳峰(feng)(feng)值表明(ming)，LSC-石墨化(hua)程(cheng)(cheng)度提高。

　　電化(hua)學表征(zheng)活性(xing)炭

　　基于(yu)活(huo)性炭(tan)(tan)的(de)(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器的(de)(de)活(huo)性炭(tan)(tan)樣(yang)品(SC-LSC)的(de)(de)電(dian)容(rong)性，LSC-3和(he)LSC-4通(tong)過電(dian)化學(xue)技術序列進行評估，包括室(shi)溫下CV，GCD和(he)EIS測試。圖2顯(xian)示了四個不同(tong)掃描(miao)速(su)率(lv)的(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)CV電(dian)勢窗(chuang)的(de)(de)范圍為0-0.8V。如(ru)所(suo)見，所(suo)有超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)活(huo)性炭(tan)(tan)在相(xiang)對較低的(de)(de)掃描(miao)速(su)率(lv)下具有理想(xiang)的(de)(de)矩(ju)形電(dian)容(rong)性能，即充(chong)電(dian) - 雙(shuang)層電(dian)容(rong)器在放電(dian)過程中的(de)(de)典(dian)型性質(zhi)。即使在500 mV·s -在1的(de)(de)高掃描(miao)速(su)率(lv)下，如(ru)圖2所(suo)示d，SC-LSCs的(de)(de)CV由于(yu)樣(yang)品的(de)(de)優良導電(dian)性和(he)低質(zhi)量(liang)傳輸電(dian)阻，曲(qu)線(xian)保持了伏安曲(qu)線(xian)的(de)(de)準(zhun)矩(ju)形狀，幾乎沒有變形。顯(xian)然，短離(li)(li)子通(tong)道(dao)和(he)電(dian)解質(zhi)儲層的(de)(de)快(kuai)速(su)離(li)(li)子運輸來自活(huo)性炭(tan)(tan)樣(yang)品的(de)(de)分(fen)層孔結構(gou)。類似地，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)活(huo)性炭(tan)(tan)由于(yu)理想(xiang)的(de)(de)分(fen)層多(duo)孔結構(gou)和(he)活(huo)性炭(tan)(tan)的(de)(de)高表(biao)面積(ji)而(er)顯(xian)示出*高的(de)(de)電(dian)容(rong)值。

　　碳化(hua)(hua)活(huo)(huo)化(hua)(hua)前(qian)，由纖(xian)維(wei)材料合成四種(zhong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭。所(suo)有(you)制備(bei)(bei)的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭主要表(biao)現為微孔結(jie)構。發現通過ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)(hua)法制備(bei)(bei)的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭表(biao)現出*大的(de)(de)比表(biao)面(mian)(mian)積，在(zai)(zai)(zai)所(suo)有(you)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭樣品中(zhong)表(biao)現出*佳的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能，其中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)為107.4F·g -1 -1.對稱雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)池。隨著電(dian)(dian)(dian)流密度(du)大于(yu)1，這些(xie)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭基超(chao)(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)僅大于(yu)1A·g -而略有(you)變(bian)化(hua)(hua)。所(suo)有(you)超(chao)(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器在(zai)(zai)(zai)1中(zhong)顯示出優異的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de)(de) 充(chong)放電(dian)(dian)(dian)循環5000次(ci)后，LSC-1型(xing)超(chao)(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)保(bao)持在(zai)(zai)(zai)92.6%以上。這些(xie)結(jie)果表(biao)明，纖(xian)維(wei)材料是合理設計和(he)制備(bei)(bei)具有(you)高表(biao)面(mian)(mian)積和(he)優良電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)好候選(xuan)人。