活性炭的(de)電化學性能

　　能(neng)(neng)源問(wen)(wen)題(ti)是(shi)21世紀(ji)活性炭電化學(xue)性能(neng)(neng)*顯(xian)著的全球(qiu)(qiu)(qiu)挑戰之一。全球(qiu)(qiu)(qiu)對能(neng)(neng)源供應和環(huan)境保護(hu)的需求(qiu)急劇增(zeng)加，迫(po)使(shi)世界(jie)面(mian)臨經(jing)濟危機。據*近報道，全球(qiu)(qiu)(qiu)能(neng)(neng)耗每年約(yue)為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)(bu)可再生(sheng)碳密集型(xing)化石(shi)燃料，包括(kuo)煤(mei)、石(shi)油和天然氣。過度依賴燃燒化石(shi)燃料帶來了許(xu)多(duo)環(huan)境問(wen)(wen)題(ti)，增(zeng)加了全球(qiu)(qiu)(qiu)經(jing)濟的負擔(dan)。隨著世界(jie)的不(bu)(bu)斷發展，能(neng)(neng)源需求(qiu)迅(xun)速增(zeng)長，地球(qiu)(qiu)(qiu)不(bu)(bu)可再生(sheng)能(neng)(neng)源總量(liang)相當有限。因(yin)此，為(wei)了滿足日益增(zeng)長的能(neng)(neng)源需求(qiu)，減少對環(huan)境的應力，需要安全、實用、可持(chi)續、性能(neng)(neng)良好的能(neng)(neng)量(liang)轉換和存儲設備。

　　電(dian)(dian)化(hua)學電(dian)(dian)容器(qi)*近引起了(le)人們的(de)(de)極(ji)大興趣(qu)，包括顯著的(de)(de)循環效(xiao)率、預期的(de)(de)循環壽(shou)命、快速充放電(dian)(dian)率和優(you)良(liang)的(de)(de)功率密度，以(yi)及(ji)便攜(xie)式電(dian)(dian)子、混合(he)電(dian)(dian)動汽車(che)和存儲(chu)器(qi)的(de)(de)備用(yong)設備。毫無疑問，活(huo)(huo)性炭(tan)雙層電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)性能主要取(qu)決于其電(dian)(dian)極(ji)材料的(de)(de)類型和形(xing)式。超級電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)紋理電(dian)(dian)位(wei)電(dian)(dian)極(ji)材料研究以(yi)各種形(xing)式進行了(le)報道(dao)。以(yi)活(huo)(huo)性炭(tan)為材料，如活(huo)(huo)性炭(tan)、石墨烯(xi)、碳納米結構，如管道(dao)和纖(xian)維、來自碳化(hua)物的(de)(de)碳等(deng)。

　　此外，活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)具有(you)多孔(kong)結構豐富、雜原子自(zi)摻雜、物理(li)化(hua)學穩定性(xing)和環(huan)保等優點，廣(guang)泛應用于(yu)能(neng)(neng)(neng)源相關領域，以滿足能(neng)(neng)(neng)源供應的(de)迫切(qie)需求。截至(zhi)目前，堅果殼、椰殼、木材(cai)、動物骨(gu)、纖維等各(ge)種活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)材(cai)料已(yi)被廣(guang)泛用作制造電容器(qi)的(de)前體。大多數報告稱，活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)儲能(neng)(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)超過了其他非活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)材(cai)料的(de)儲能(neng)(neng)(neng)性(xing)能(neng)(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)(de)電(dian)極PTFE，乙炔碳黑10%，活性(xing)(xing)(xing)炭85%。將(jiang)所(suo)有(you)材(cai)料(liao)均勻混(hun)合，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)1.4MPa將(jiang)其(qi)壓(ya)(ya)在(zai)(zai)鎳泡沫基(ji)材(cai)上，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)真空烘箱中壓(ya)(ya)在(zai)(zai)110℃干燥12小(xiao)時。每個集電(dian)器上的(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)物質量約(yue)為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜分離M KOH對稱(cheng)雙(shuang)電(dian)極電(dian)池(chi)組(zu)裝(zhuang)電(dian)解質水(shui)溶液。采(cai)用循環伏安法(fa)(CV)，恒電(dian)流充放電(dian)(GCD)電(dian)化(hua)學(xue)阻(zu)抗光譜(EIS)研究(jiu)樣品的(de)(de)電(dian)容性(xing)(xing)(xing)能(neng)。在(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)5的(de)(de)頻率范圍內mV在(zai)(zai)開路電(dian)位(wei)下(xia)測量范圍EIS光譜。所(suo)有(you)電(dian)化(hua)學(xue)測量均在(zai)(zai)電(dian)化(hua)學(xue)工(gong)作站進行。所(suo)有(you)試驗均在(zai)(zai)室溫下(xia)進行。

　　活性炭的形(xing)狀(zhuang)和結構

　　四(si)個活性炭樣品(LSC-1-4)的(de)(de)(de)XRD圖譜顯示(shi)沒有(you)尖銳(rui)和強(qiang)峰(feng)(如(ru)圖1所示(shi))，表(biao)(biao)示(shi)所有(you)活性炭樣品的(de)(de)(de)非晶(jing)狀態(tai)。一(yi)方面(mian)位(wei)于23左右(you)°位(wei)于44的(de)(de)(de)寬峰(feng)和寬峰(feng)°弱峰(feng)是無(wu)定形石墨(mo)碳的(de)(de)(de)特征峰(feng)，表(biao)(biao)明LSC樣品的(de)(de)(de)石墨(mo)化程(cheng)度有(you)限(xian)。另一(yi)方面(mian)，以(yi)44°中心弱峰(feng)的(de)(de)(de)出現表(biao)(biao)明電導率的(de)(de)(de)提高(gao)。特別(bie)地(di)，LSC-1在44°與其(qi)他樣品相比，觀察到(dao)的(de)(de)(de)尖銳(rui)峰(feng)值表(biao)(biao)明，LSC-石墨(mo)化程(cheng)度提高(gao)。

　　電化學表(biao)征活性炭

　　基于活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品(SC-LSC)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，LSC-3和(he)LSC-4通過電(dian)(dian)(dian)化學(xue)技術(shu)序(xu)列進行(xing)評估，包(bao)括室(shi)溫下(xia)CV，GCD和(he)EIS測試(shi)。圖2顯(xian)(xian)示(shi)了(le)四個不同掃(sao)描(miao)(miao)速率(lv)(lv)的(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)范(fan)圍為0-0.8V。如所(suo)見，所(suo)有(you)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)在(zai)相對(dui)較低的(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)(miao)速率(lv)(lv)下(xia)具有(you)理(li)想的(de)(de)(de)矩形電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能，即(ji)充電(dian)(dian)(dian) - 雙層(ceng)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)在(zai)放(fang)電(dian)(dian)(dian)過程中的(de)(de)(de)典(dian)型性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)質。即(ji)使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)(de)高掃(sao)描(miao)(miao)速率(lv)(lv)下(xia)，如圖2所(suo)示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)CV由(you)于樣品的(de)(de)(de)優良(liang)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)低質量傳輸電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，曲線(xian)保持(chi)了(le)伏安曲線(xian)的(de)(de)(de)準矩形狀，幾乎沒有(you)變形。顯(xian)(xian)然，短離子通道和(he)電(dian)(dian)(dian)解質儲層(ceng)的(de)(de)(de)快速離子運(yun)輸來自活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品的(de)(de)(de)分層(ceng)孔(kong)結構(gou)。類似地，超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)由(you)于理(li)想的(de)(de)(de)分層(ceng)多孔(kong)結構(gou)和(he)活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)高表面積而顯(xian)(xian)示(shi)出*高的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)值。

　　碳化(hua)活(huo)化(hua)前，由纖維(wei)材料(liao)合成四(si)種活(huo)性(xing)炭。所(suo)(suo)有(you)制(zhi)備(bei)的(de)(de)活(huo)性(xing)炭主(zhu)要表(biao)現(xian)(xian)為微孔結構。發現(xian)(xian)通過ZnCl 2活(huo)化(hua)法(fa)制(zhi)備(bei)的(de)(de)活(huo)性(xing)炭表(biao)現(xian)(xian)出*大的(de)(de)比表(biao)面積，在所(suo)(suo)有(you)活(huo)性(xing)炭樣品中(zhong)表(biao)現(xian)(xian)出*佳的(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)性(xing)能(neng)，其中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)為107.4F·g -1 -1.對(dui)稱(cheng)雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池。隨(sui)著電(dian)(dian)流密度(du)大于(yu)1，這些(xie)活(huo)性(xing)炭基超級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)僅大于(yu)1A·g -而略(lve)有(you)變化(hua)。所(suo)(suo)有(you)超級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器在1中(zhong)顯示出優異的(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)學(xue)穩定性(xing)A·g -1的(de)(de) 充放電(dian)(dian)循環5000次后，LSC-1型超級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)保持在92.6%以(yi)上。這些(xie)結果表(biao)明，纖維(wei)材料(liao)是(shi)合理設計(ji)和制(zhi)備(bei)具有(you)高(gao)表(biao)面積和優良電(dian)(dian)化(hua)學(xue)性(xing)能(neng)的(de)(de)活(huo)性(xing)炭的(de)(de)好候(hou)選人。