活性炭(tan)的(de)電化學性能

　　能(neng)(neng)源(yuan)問題是21世(shi)紀(ji)活性炭電(dian)化(hua)學性能(neng)(neng)*顯著的全球(qiu)挑戰之一。全球(qiu)對能(neng)(neng)源(yuan)供(gong)應(ying)和(he)環(huan)境(jing)保護的需求(qiu)急劇增加，迫使世(shi)界(jie)面臨經濟(ji)危機。據*近報道，全球(qiu)能(neng)(neng)耗每年約為4.1×10 20 J--其80%來(lai)自不可再生碳密集型化(hua)石(shi)(shi)(shi)燃(ran)料，包(bao)括煤、石(shi)(shi)(shi)油和(he)天然氣(qi)。過(guo)度(du)依賴燃(ran)燒化(hua)石(shi)(shi)(shi)燃(ran)料帶來(lai)了(le)許多環(huan)境(jing)問題，增加了(le)全球(qiu)經濟(ji)的負擔。隨著世(shi)界(jie)的不斷發展，能(neng)(neng)源(yuan)需求(qiu)迅速增長，地球(qiu)不可再生能(neng)(neng)源(yuan)總量相當有(you)限。因此，為了(le)滿(man)足日益增長的能(neng)(neng)源(yuan)需求(qiu)，減(jian)少對環(huan)境(jing)的應(ying)力，需要安全、實用、可持續、性能(neng)(neng)良好的能(neng)(neng)量轉換和(he)存儲設備(bei)。

　　電(dian)(dian)(dian)化學電(dian)(dian)(dian)容(rong)器*近引(yin)起了(le)人們(men)的(de)極(ji)大興(xing)趣，包括顯著的(de)循環(huan)效率、預期的(de)循環(huan)壽命、快速(su)充放(fang)電(dian)(dian)(dian)率和優良的(de)功(gong)率密度，以及便攜式電(dian)(dian)(dian)子、混(hun)合電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)和存儲器的(de)備(bei)用設備(bei)。毫無疑問，活(huo)性炭(tan)(tan)雙層電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)性能主要(yao)取決(jue)于其(qi)電(dian)(dian)(dian)極(ji)材料(liao)的(de)類型和形(xing)式。超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)紋理(li)電(dian)(dian)(dian)位電(dian)(dian)(dian)極(ji)材料(liao)研究以各種(zhong)形(xing)式進行了(le)報道(dao)。以活(huo)性炭(tan)(tan)為材料(liao)，如(ru)活(huo)性炭(tan)(tan)、石墨烯(xi)、碳(tan)納(na)米結構，如(ru)管道(dao)和纖維、來自(zi)碳(tan)化物的(de)碳(tan)等(deng)。

　　此外(wai)，活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)具有多孔(kong)結(jie)構豐富、雜(za)原子自摻雜(za)、物理化學(xue)穩定性(xing)和環(huan)保等優點，廣泛應用于能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)相關領域，以(yi)滿足能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)供應的(de)迫切需求。截至目前(qian)，堅果殼(ke)、椰殼(ke)、木材、動物骨、纖維等各種活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)材料已(yi)被廣泛用作制造電容(rong)器的(de)前(qian)體。大多數報告稱，活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)超(chao)過了其他非活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)材料的(de)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極(ji)PTFE，乙(yi)炔碳(tan)黑10%，活性(xing)炭85%。將(jiang)所有(you)材(cai)料均勻混合(he)，然后在(zai)(zai)1.4MPa將(jiang)其(qi)壓(ya)(ya)在(zai)(zai)鎳(nie)泡(pao)沫(mo)基材(cai)上(shang)，然后在(zai)(zai)真空烘(hong)箱中壓(ya)(ya)在(zai)(zai)110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)器(qi)上(shang)的活性(xing)物質量(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜分離M KOH對稱雙電(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)解質水溶液。采用循環伏安(an)法(fa)(CV)，恒電(dian)(dian)流充放(fang)電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化學(xue)(xue)阻抗(kang)光譜(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)容(rong)性(xing)能。在(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)5的頻率范圍(wei)內mV在(zai)(zai)開路電(dian)(dian)位下測(ce)量(liang)范圍(wei)EIS光譜。所有(you)電(dian)(dian)化學(xue)(xue)測(ce)量(liang)均在(zai)(zai)電(dian)(dian)化學(xue)(xue)工(gong)作站(zhan)進(jin)行。所有(you)試(shi)驗均在(zai)(zai)室溫下進(jin)行。

　　活性(xing)炭的形狀和(he)結構

　　四個活性炭(tan)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)(LSC-1-4)的(de)XRD圖譜顯示(shi)沒有(you)尖銳(rui)(rui)和(he)強峰(feng)(如圖1所示(shi))，表示(shi)所有(you)活性炭(tan)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)非晶狀態。一方面(mian)位(wei)于(yu)23左右°位(wei)于(yu)44的(de)寬峰(feng)和(he)寬峰(feng)°弱峰(feng)是無定形石(shi)墨碳的(de)特(te)征峰(feng)，表明(ming)LSC樣(yang)(yang)品(pin)(pin)的(de)石(shi)墨化程度有(you)限。另一方面(mian)，以44°中心(xin)弱峰(feng)的(de)出(chu)現表明(ming)電導率的(de)提高。特(te)別地，LSC-1在44°與其(qi)他樣(yang)(yang)品(pin)(pin)相比，觀察(cha)到(dao)的(de)尖銳(rui)(rui)峰(feng)值表明(ming)，LSC-石(shi)墨化程度提高。

　　電化學表征活(huo)性炭

　　基(ji)于活性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)炭樣品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)性(xing)(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)化學技術序列進(jin)行評估，包括室溫下(xia)CV，GCD和EIS測試(shi)。圖(tu)2顯(xian)示(shi)了四個不同掃(sao)描速(su)率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)SC-LSC的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所見，所有(you)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)活性(xing)(xing)(xing)炭在(zai)相對(dui)較低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)掃(sao)描速(su)率下(xia)具有(you)理想的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)矩形電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)性(xing)(xing)(xing)能，即充電(dian)(dian)(dian)(dian) - 雙層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器在(zai)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)典型性(xing)(xing)(xing)質。即使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高掃(sao)描速(su)率下(xia)，如圖(tu)2所示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CV由于樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優良導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)和低質量傳輸電(dian)(dian)(dian)(dian)阻，曲(qu)線保(bao)持了伏(fu)安曲(qu)線的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)準矩形狀，幾乎(hu)沒有(you)變(bian)形。顯(xian)然，短離子通(tong)道和電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)質儲層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)快速(su)離子運輸來自活性(xing)(xing)(xing)炭樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層(ceng)(ceng)孔結構。類(lei)似地，超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)活性(xing)(xing)(xing)炭由于理想的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層(ceng)(ceng)多(duo)孔結構和活性(xing)(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高表面積而顯(xian)示(shi)出(chu)*高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)值。

　　碳化活(huo)(huo)(huo)化前(qian)，由纖維材料合成(cheng)四種活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)。所(suo)有(you)(you)制備的活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)主(zhu)要表(biao)現(xian)為微孔結(jie)構。發現(xian)通過ZnCl 2活(huo)(huo)(huo)化法(fa)制備的活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)表(biao)現(xian)出*大的比表(biao)面積，在所(suo)有(you)(you)活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品中表(biao)現(xian)出*佳的電(dian)(dian)化學(xue)性(xing)能(neng)，其(qi)中0.1A·g 的電(dian)(dian)容(rong)為107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)池(chi)。隨著(zhu)電(dian)(dian)流密度大于(yu)1，這些活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)基超級電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的電(dian)(dian)容(rong)僅大于(yu)1A·g -而略有(you)(you)變化。所(suo)有(you)(you)超級電(dian)(dian)容(rong)器(qi)在1中顯示出優異的電(dian)(dian)化學(xue)穩定(ding)性(xing)A·g -1的 充放電(dian)(dian)循環5000次后，LSC-1型超級電(dian)(dian)容(rong)器(qi)的電(dian)(dian)容(rong)保持在92.6%以上。這些結(jie)果表(biao)明，纖維材料是合理設計和(he)制備具(ju)有(you)(you)高表(biao)面積和(he)優良電(dian)(dian)化學(xue)性(xing)能(neng)的活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的好候(hou)選(xuan)人。