活(huo)性炭的電化學性能

　　能(neng)源問題(ti)是21世(shi)紀活性(xing)炭(tan)電化學性(xing)能(neng)*顯著(zhu)的(de)(de)全(quan)球(qiu)(qiu)(qiu)挑戰之一。全(quan)球(qiu)(qiu)(qiu)對能(neng)源供應(ying)和環(huan)境保護的(de)(de)需(xu)求(qiu)急劇增(zeng)加，迫使世(shi)界面(mian)臨經(jing)濟危機。據*近報道，全(quan)球(qiu)(qiu)(qiu)能(neng)耗(hao)每年約為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不可(ke)再生(sheng)碳密(mi)集(ji)型化石燃(ran)料(liao)，包括煤、石油和天然氣。過度依賴燃(ran)燒化石燃(ran)料(liao)帶來了(le)許多(duo)環(huan)境問題(ti)，增(zeng)加了(le)全(quan)球(qiu)(qiu)(qiu)經(jing)濟的(de)(de)負擔(dan)。隨著(zhu)世(shi)界的(de)(de)不斷(duan)發展，能(neng)源需(xu)求(qiu)迅速(su)增(zeng)長(chang)，地球(qiu)(qiu)(qiu)不可(ke)再生(sheng)能(neng)源總量相(xiang)當有限(xian)。因此，為(wei)了(le)滿足日(ri)益增(zeng)長(chang)的(de)(de)能(neng)源需(xu)求(qiu)，減少對環(huan)境的(de)(de)應(ying)力，需(xu)要(yao)安(an)全(quan)、實用、可(ke)持續、性(xing)能(neng)良好的(de)(de)能(neng)量轉換(huan)和存儲設(she)備。

　　電(dian)化學(xue)電(dian)容(rong)器*近引(yin)起了(le)人(ren)們的(de)(de)極(ji)(ji)大興趣，包(bao)括(kuo)顯著的(de)(de)循環(huan)效率(lv)、預期的(de)(de)循環(huan)壽命、快(kuai)速充放電(dian)率(lv)和(he)(he)(he)優良(liang)的(de)(de)功率(lv)密度，以(yi)(yi)及便攜式電(dian)子、混合(he)電(dian)動汽車和(he)(he)(he)存(cun)儲器的(de)(de)備(bei)用設備(bei)。毫無疑問(wen)，活(huo)(huo)性(xing)炭雙層電(dian)容(rong)器的(de)(de)性(xing)能主要取決于其電(dian)極(ji)(ji)材料的(de)(de)類型和(he)(he)(he)形式。超級(ji)電(dian)容(rong)器的(de)(de)紋理(li)電(dian)位電(dian)極(ji)(ji)材料研究以(yi)(yi)各種形式進(jin)行(xing)了(le)報道。以(yi)(yi)活(huo)(huo)性(xing)炭為材料，如活(huo)(huo)性(xing)炭、石墨烯、碳納米結構，如管道和(he)(he)(he)纖維、來自碳化物的(de)(de)碳等。

　　此外，活(huo)性炭具(ju)有多孔結構(gou)豐富、雜(za)原子自摻雜(za)、物理化學穩定性和(he)環保(bao)等優點，廣泛應用于(yu)能源相關領域，以滿足(zu)能源供應的(de)(de)迫切需求(qiu)。截至目前，堅果(guo)殼、椰(ye)殼、木(mu)材、動物骨、纖(xian)維等各種活(huo)性炭材料已被廣泛用作(zuo)制造電容(rong)器(qi)的(de)(de)前體。大(da)多數報告稱，活(huo)性炭的(de)(de)儲(chu)能性能超過(guo)了其他非(fei)活(huo)性炭材料的(de)(de)儲(chu)能性能。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極PTFE，乙炔碳黑10%，活性(xing)炭85%。將(jiang)所(suo)有材料均勻混合(he)，然(ran)后在(zai)(zai)(zai)(zai)1.4MPa將(jiang)其壓在(zai)(zai)(zai)(zai)鎳泡沫基材上，然(ran)后在(zai)(zai)(zai)(zai)真(zhen)空(kong)烘箱(xiang)中壓在(zai)(zai)(zai)(zai)110℃干(gan)燥12小(xiao)時。每(mei)個集電(dian)(dian)器(qi)上的活性(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)量約(yue)為(wei)4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜分離M KOH對稱雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池組(zu)裝電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)水溶液。采用循環(huan)伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)阻抗光譜(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)容(rong)性(xing)能。在(zai)(zai)(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)(zai)(zai)5的頻率范(fan)圍內mV在(zai)(zai)(zai)(zai)開路電(dian)(dian)位下測(ce)量范(fan)圍EIS光譜。所(suo)有電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)測(ce)量均在(zai)(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)工作站進行(xing)。所(suo)有試驗均在(zai)(zai)(zai)(zai)室溫下進行(xing)。

　　活性(xing)炭的形狀和結構

　　四個活性炭樣品(pin)(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖譜顯示沒有(you)(you)尖(jian)銳(rui)和強峰(feng)(feng)(如圖1所示)，表(biao)示所有(you)(you)活性炭樣品(pin)的(de)(de)非晶狀態。一方面位于23左右°位于44的(de)(de)寬峰(feng)(feng)和寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是無定(ding)形石(shi)墨(mo)碳的(de)(de)特(te)征峰(feng)(feng)，表(biao)明LSC樣品(pin)的(de)(de)石(shi)墨(mo)化程度有(you)(you)限。另一方面，以44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)(de)出現表(biao)明電導率(lv)的(de)(de)提高。特(te)別地(di)，LSC-1在(zai)44°與(yu)其(qi)他(ta)樣品(pin)相比，觀察到的(de)(de)尖(jian)銳(rui)峰(feng)(feng)值表(biao)明，LSC-石(shi)墨(mo)化程度提高。

　　電化學表征活性炭(tan)

　　基于(yu)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)化學技術序列進行評估，包(bao)括室溫下CV，GCD和EIS測試(shi)。圖(tu)2顯(xian)示了(le)四個不同掃描速率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)(dian)勢窗(chuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍(wei)為(wei)0-0.8V。如(ru)所見，所有超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)在(zai)(zai)相對較低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)掃描速率(lv)(lv)下具有理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)矩(ju)形電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，即(ji)充電(dian)(dian)(dian)(dian) - 雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)在(zai)(zai)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)典型性(xing)(xing)(xing)質。即(ji)使在(zai)(zai)500 mV·s -在(zai)(zai)1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)掃描速率(lv)(lv)下，如(ru)圖(tu)2所示d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)(de)(de)CV由于(yu)樣品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)良導電(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)和低質量(liang)傳輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻，曲線保持了(le)伏(fu)安(an)曲線的(de)(de)(de)(de)(de)(de)準(zhun)矩(ju)形狀，幾乎沒有變形。顯(xian)然，短離子(zi)通道和電(dian)(dian)(dian)(dian)解質儲層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)快速離子(zi)運輸(shu)來自活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)孔(kong)結(jie)構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)由于(yu)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分層(ceng)多孔(kong)結(jie)構(gou)和活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)表面積(ji)而(er)顯(xian)示出*高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)值。

　　碳化(hua)(hua)活(huo)化(hua)(hua)前，由纖維(wei)材料合成四(si)種活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)。所(suo)有(you)制(zhi)備的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)主要(yao)表現(xian)為微孔(kong)結(jie)構。發現(xian)通過ZnCl 2活(huo)化(hua)(hua)法(fa)制(zhi)備的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)表現(xian)出*大的(de)(de)比表面積(ji)，在(zai)所(suo)有(you)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)樣品(pin)中(zhong)表現(xian)出*佳的(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能，其(qi)中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)電(dian)(dian)容為107.4F·g -1 -1.對(dui)稱雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池(chi)。隨著電(dian)(dian)流密(mi)度大于(yu)1，這些(xie)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)基超(chao)(chao)級電(dian)(dian)容器的(de)(de)電(dian)(dian)容僅大于(yu)1A·g -而略有(you)變化(hua)(hua)。所(suo)有(you)超(chao)(chao)級電(dian)(dian)容器在(zai)1中(zhong)顯示(shi)出優異的(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)學穩(wen)定性(xing)A·g -1的(de)(de) 充(chong)放電(dian)(dian)循環5000次后(hou)，LSC-1型超(chao)(chao)級電(dian)(dian)容器的(de)(de)電(dian)(dian)容保持(chi)在(zai)92.6%以上。這些(xie)結(jie)果表明，纖維(wei)材料是合理設計和(he)制(zhi)備具有(you)高表面積(ji)和(he)優良電(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能的(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)(tan)的(de)(de)好候選人(ren)。