活性炭的電化學性能

　　能源(yuan)問題是21世紀活性炭電化學(xue)性能*顯著的全(quan)(quan)(quan)球(qiu)挑戰之一(yi)。全(quan)(quan)(quan)球(qiu)對能源(yuan)供應和環(huan)(huan)境保護的需求急劇增(zeng)加(jia)，迫(po)使世界面臨經(jing)濟危(wei)機。據*近報道(dao)，全(quan)(quan)(quan)球(qiu)能耗(hao)每年約(yue)為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)(bu)可(ke)(ke)再(zai)生碳密集型(xing)化石(shi)燃(ran)料，包括煤、石(shi)油(you)和天然氣。過度依(yi)賴燃(ran)燒(shao)化石(shi)燃(ran)料帶來了許多環(huan)(huan)境問題，增(zeng)加(jia)了全(quan)(quan)(quan)球(qiu)經(jing)濟的負擔。隨著世界的不(bu)(bu)斷(duan)發展，能源(yuan)需求迅速增(zeng)長，地球(qiu)不(bu)(bu)可(ke)(ke)再(zai)生能源(yuan)總量(liang)相當(dang)有限。因此，為(wei)了滿足日(ri)益增(zeng)長的能源(yuan)需求，減少對環(huan)(huan)境的應力，需要安全(quan)(quan)(quan)、實用、可(ke)(ke)持續、性能良好(hao)的能量(liang)轉換和存儲設備。

　　電(dian)化學電(dian)容器(qi)*近引起了人們的(de)(de)極大興趣，包括(kuo)顯著(zhu)的(de)(de)循(xun)環效率、預期的(de)(de)循(xun)環壽命、快(kuai)速充放電(dian)率和(he)(he)優良的(de)(de)功(gong)率密度(du)，以及便攜式電(dian)子、混合電(dian)動汽車和(he)(he)存(cun)儲器(qi)的(de)(de)備(bei)用設備(bei)。毫無疑問(wen)，活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)雙層電(dian)容器(qi)的(de)(de)性(xing)能主要取決(jue)于其(qi)電(dian)極材(cai)料(liao)的(de)(de)類型和(he)(he)形式。超級電(dian)容器(qi)的(de)(de)紋理電(dian)位電(dian)極材(cai)料(liao)研究以各種形式進(jin)行了報道(dao)。以活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)為材(cai)料(liao)，如活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)、石墨烯(xi)、碳納米結(jie)構，如管道(dao)和(he)(he)纖維(wei)、來自碳化物(wu)的(de)(de)碳等。

　　此外(wai)，活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)具(ju)有(you)多孔結(jie)構豐富、雜原子自摻雜、物(wu)理化學穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)和環保等優(you)點，廣泛應(ying)用于能(neng)(neng)源相(xiang)關(guan)領域，以滿足能(neng)(neng)源供應(ying)的迫切(qie)需求。截至目前(qian)，堅果殼(ke)、椰殼(ke)、木材(cai)、動物(wu)骨、纖維等各種活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料已(yi)被廣泛用作(zuo)制造電容器的前(qian)體。大(da)多數報告稱，活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的儲(chu)(chu)能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)超過了其(qi)他(ta)非活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料的儲(chu)(chu)能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)極PTFE，乙(yi)炔(gui)碳黑10%，活(huo)性炭(tan)85%。將所有材料均勻(yun)混合，然(ran)后(hou)在(zai)(zai)(zai)1.4MPa將其(qi)壓(ya)在(zai)(zai)(zai)鎳(nie)泡沫基材上，然(ran)后(hou)在(zai)(zai)(zai)真空烘箱中壓(ya)在(zai)(zai)(zai)110℃干燥12小時。每(mei)個集電(dian)(dian)器上的活(huo)性物(wu)質(zhi)量(liang)(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜分離M KOH對(dui)稱雙電(dian)(dian)極電(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)解質(zhi)水溶液。采用循環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)化(hua)學阻(zu)抗光譜(EIS)研究樣品的電(dian)(dian)容性能。在(zai)(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)(zai)5的頻率(lv)范圍(wei)內mV在(zai)(zai)(zai)開路電(dian)(dian)位下測(ce)量(liang)(liang)范圍(wei)EIS光譜。所有電(dian)(dian)化(hua)學測(ce)量(liang)(liang)均在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)化(hua)學工作站進行。所有試驗均在(zai)(zai)(zai)室溫下進行。

　　活性炭的形狀和結構

　　四個活性炭(tan)樣品(LSC-1-4)的(de)(de)(de)XRD圖譜顯示沒有(you)尖(jian)銳和強峰(如(ru)圖1所示)，表示所有(you)活性炭(tan)樣品的(de)(de)(de)非晶狀態。一(yi)方面(mian)位(wei)于23左右°位(wei)于44的(de)(de)(de)寬峰和寬峰°弱峰是無定形(xing)石墨(mo)碳的(de)(de)(de)特(te)征峰，表明LSC樣品的(de)(de)(de)石墨(mo)化程度有(you)限。另一(yi)方面(mian)，以44°中心弱峰的(de)(de)(de)出現表明電導率的(de)(de)(de)提高。特(te)別(bie)地，LSC-1在44°與其(qi)他樣品相(xiang)比，觀察到(dao)的(de)(de)(de)尖(jian)銳峰值表明，LSC-石墨(mo)化程度提高。

　　電化學(xue)表征活性炭

　　基于(yu)活(huo)性炭(tan)的(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容器的(de)(de)活(huo)性炭(tan)樣(yang)品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容性，LSC-3和(he)LSC-4通(tong)過電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)技(ji)術序列進行評估，包括室溫下(xia)CV，GCD和(he)EIS測試。圖2顯(xian)示(shi)了(le)四個不同掃描(miao)速率的(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)勢窗的(de)(de)范圍為0-0.8V。如所見，所有(you)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容活(huo)性炭(tan)在(zai)相對較低的(de)(de)掃描(miao)速率下(xia)具有(you)理想的(de)(de)矩(ju)形電(dian)(dian)(dian)容性能，即充(chong)電(dian)(dian)(dian) - 雙層電(dian)(dian)(dian)容器在(zai)放電(dian)(dian)(dian)過程中的(de)(de)典型性質。即使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)高(gao)掃描(miao)速率下(xia)，如圖2所示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)CV由(you)(you)于(yu)樣(yang)品(pin)的(de)(de)優(you)良導(dao)電(dian)(dian)(dian)性和(he)低質量傳輸電(dian)(dian)(dian)阻，曲(qu)線保持了(le)伏安曲(qu)線的(de)(de)準矩(ju)形狀，幾(ji)乎沒有(you)變形。顯(xian)然(ran)，短離子通(tong)道和(he)電(dian)(dian)(dian)解(jie)質儲層的(de)(de)快(kuai)速離子運(yun)輸來自活(huo)性炭(tan)樣(yang)品(pin)的(de)(de)分層孔(kong)結構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容活(huo)性炭(tan)由(you)(you)于(yu)理想的(de)(de)分層多孔(kong)結構(gou)和(he)活(huo)性炭(tan)的(de)(de)高(gao)表(biao)面(mian)積而顯(xian)示(shi)出(chu)*高(gao)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容值。

　　碳化(hua)活(huo)化(hua)前，由纖維材(cai)料合(he)成四(si)種活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)。所(suo)有制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)主要表現為(wei)(wei)微孔結構。發(fa)現通過ZnCl 2活(huo)化(hua)法制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)表現出(chu)*大(da)的(de)(de)(de)比(bi)表面(mian)積，在所(suo)有活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣品(pin)中表現出(chu)*佳(jia)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)，其中0.1A·g 的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)為(wei)(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)極(ji)電(dian)池。隨(sui)著(zhu)電(dian)流(liu)密度(du)大(da)于1，這些(xie)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)基超級(ji)電(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)僅(jin)大(da)于1A·g -而略有變化(hua)。所(suo)有超級(ji)電(dian)容(rong)器在1中顯示出(chu)優異(yi)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)學穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de)(de)(de) 充放(fang)電(dian)循環5000次后，LSC-1型超級(ji)電(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)保持在92.6%以上(shang)。這些(xie)結果表明，纖維材(cai)料是合(he)理設(she)計和(he)制(zhi)備(bei)具有高表面(mian)積和(he)優良(liang)電(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)好候選人。