活性炭(tan)的電化學性能(neng)

　　能(neng)(neng)源(yuan)問題(ti)(ti)是21世紀活性(xing)(xing)炭電化學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)*顯著(zhu)的(de)全(quan)球(qiu)挑戰(zhan)之一。全(quan)球(qiu)對(dui)能(neng)(neng)源(yuan)供應和環境(jing)(jing)保護的(de)需求急劇增(zeng)加(jia)，迫(po)使世界面臨經濟危(wei)機(ji)。據(ju)*近報道，全(quan)球(qiu)能(neng)(neng)耗每(mei)年約為4.1×10 20 J--其(qi)80%來自不可(ke)再生(sheng)碳密(mi)集型(xing)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)(le)許多環境(jing)(jing)問題(ti)(ti)，增(zeng)加(jia)了(le)(le)全(quan)球(qiu)經濟的(de)負擔。隨(sui)著(zhu)世界的(de)不斷發展，能(neng)(neng)源(yuan)需求迅速增(zeng)長，地球(qiu)不可(ke)再生(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)總量(liang)相當有限。因此，為了(le)(le)滿(man)足(zu)日益增(zeng)長的(de)能(neng)(neng)源(yuan)需求，減少對(dui)環境(jing)(jing)的(de)應力(li)，需要安全(quan)、實用、可(ke)持(chi)續(xu)、性(xing)(xing)能(neng)(neng)良(liang)好的(de)能(neng)(neng)量(liang)轉換和存儲設(she)備。

　　電(dian)化學(xue)電(dian)容器*近引起了(le)人們(men)的(de)(de)極大興趣(qu)，包括顯著的(de)(de)循環效率(lv)、預期的(de)(de)循環壽命、快速充放(fang)電(dian)率(lv)和(he)優良的(de)(de)功率(lv)密度(du)，以(yi)及(ji)便攜式(shi)電(dian)子、混合電(dian)動汽(qi)車(che)和(he)存儲器的(de)(de)備用設備。毫無疑問，活性炭雙層電(dian)容器的(de)(de)性能主要取決于(yu)其電(dian)極材料(liao)的(de)(de)類型和(he)形式(shi)。超(chao)級(ji)電(dian)容器的(de)(de)紋理(li)電(dian)位電(dian)極材料(liao)研究以(yi)各種形式(shi)進行了(le)報道。以(yi)活性炭為材料(liao)，如活性炭、石墨(mo)烯、碳(tan)納米結構，如管道和(he)纖(xian)維、來自(zi)碳(tan)化物(wu)的(de)(de)碳(tan)等。

　　此外，活性炭(tan)(tan)具有多(duo)孔結(jie)構豐(feng)富、雜(za)原子(zi)自(zi)摻雜(za)、物(wu)理化(hua)學穩定性和環(huan)保(bao)等(deng)(deng)優點，廣(guang)(guang)泛應用于能(neng)源相關領(ling)域，以滿(man)足能(neng)源供應的迫切需求。截至目前，堅果(guo)殼、椰殼、木材(cai)、動物(wu)骨、纖(xian)維等(deng)(deng)各(ge)種活性炭(tan)(tan)材(cai)料已被廣(guang)(guang)泛用作制造電容器(qi)的前體。大多(duo)數報告稱，活性炭(tan)(tan)的儲能(neng)性能(neng)超過了其他非活性炭(tan)(tan)材(cai)料的儲能(neng)性能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極PTFE，乙炔碳黑(hei)10%，活性(xing)炭(tan)85%。將所(suo)有(you)材料均勻混合(he)，然后在(zai)1.4MPa將其壓(ya)在(zai)鎳(nie)泡(pao)沫基材上(shang)，然后在(zai)真空烘箱中(zhong)壓(ya)在(zai)110℃干(gan)燥12小時。每個集電(dian)(dian)器上(shang)的活性(xing)物(wu)質量約為(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)質水溶(rong)液。采用循環伏安法(fa)(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)0.01Hz-100KHz在(zai)5的頻率范(fan)圍內mV在(zai)開路電(dian)(dian)位(wei)下測量范(fan)圍EIS光譜。所(suo)有(you)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)測量均在(zai)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)工作(zuo)站進行(xing)(xing)。所(suo)有(you)試(shi)驗均在(zai)室溫下進行(xing)(xing)。

　　活性(xing)炭的形狀和結構

　　四個活(huo)性炭樣品(LSC-1-4)的(de)XRD圖譜顯(xian)示沒有(you)尖銳和強(qiang)峰(feng)(feng)(如(ru)圖1所示)，表示所有(you)活(huo)性炭樣品的(de)非(fei)晶狀(zhuang)態。一方面位(wei)于(yu)23左(zuo)右°位(wei)于(yu)44的(de)寬峰(feng)(feng)和寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是(shi)無定形石墨碳的(de)特征峰(feng)(feng)，表明(ming)(ming)LSC樣品的(de)石墨化程度(du)有(you)限。另一方面，以44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)出(chu)現表明(ming)(ming)電導率的(de)提高(gao)。特別地，LSC-1在44°與(yu)其(qi)他樣品相比(bi)，觀(guan)察(cha)到的(de)尖銳峰(feng)(feng)值表明(ming)(ming)，LSC-石墨化程度(du)提高(gao)。

　　電(dian)化學(xue)表征活性(xing)炭(tan)

　　基于(yu)活(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)超級(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭樣品(SC-LSC)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)性(xing)，LSC-3和LSC-4通過電(dian)(dian)(dian)化學技術序列進行評估，包括室溫下(xia)CV，GCD和EIS測試。圖2顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)了四(si)個不同掃描速(su)率的(de)(de)(de)人(ren)SC-LSC的(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)勢(shi)窗的(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所(suo)見，所(suo)有(you)超級(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)活(huo)性(xing)炭在(zai)(zai)相對較低的(de)(de)(de)掃描速(su)率下(xia)具有(you)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)矩(ju)形電(dian)(dian)(dian)容(rong)性(xing)能(neng)，即(ji)充電(dian)(dian)(dian) - 雙層(ceng)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器在(zai)(zai)放電(dian)(dian)(dian)過程中的(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)高掃描速(su)率下(xia)，如圖2所(suo)示(shi)(shi)(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)CV由于(yu)樣品的(de)(de)(de)優良(liang)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)和低質量傳(chuan)輸(shu)電(dian)(dian)(dian)阻，曲線保持了伏安曲線的(de)(de)(de)準矩(ju)形狀，幾乎(hu)沒有(you)變形。顯(xian)(xian)然，短離(li)(li)子通道和電(dian)(dian)(dian)解質儲層(ceng)的(de)(de)(de)快速(su)離(li)(li)子運輸(shu)來(lai)自活(huo)性(xing)炭樣品的(de)(de)(de)分層(ceng)孔(kong)結構(gou)。類似地，超級(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)活(huo)性(xing)炭由于(yu)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)分層(ceng)多孔(kong)結構(gou)和活(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)高表(biao)面積而顯(xian)(xian)示(shi)(shi)(shi)出*高的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)值。

　　碳化活(huo)(huo)(huo)化前，由(you)纖維(wei)材(cai)料合(he)成四種活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)。所有(you)制(zhi)(zhi)備的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)主要表(biao)現(xian)(xian)為(wei)微孔(kong)結(jie)構。發現(xian)(xian)通過ZnCl 2活(huo)(huo)(huo)化法制(zhi)(zhi)備的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)表(biao)現(xian)(xian)出(chu)*大(da)的(de)(de)比表(biao)面積(ji)，在所有(you)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)樣品中表(biao)現(xian)(xian)出(chu)*佳的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學(xue)性(xing)(xing)能，其中0.1A·g 的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流密度大(da)于1，這些活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)基超級電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)僅大(da)于1A·g -而略(lve)有(you)變化。所有(you)超級電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)器在1中顯示出(chu)優(you)異的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學(xue)穩定性(xing)(xing)A·g -1的(de)(de) 充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)循(xun)環5000次后，LSC-1型超級電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)保持在92.6%以上。這些結(jie)果表(biao)明，纖維(wei)材(cai)料是合(he)理設計和(he)制(zhi)(zhi)備具有(you)高(gao)表(biao)面積(ji)和(he)優(you)良電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學(xue)性(xing)(xing)能的(de)(de)活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)好候選人。