活性炭(tan)的電(dian)化學(xue)性能

　　能(neng)源(yuan)問題是(shi)21世紀活性炭電化學性能(neng)*顯著的(de)全(quan)球挑戰之一(yi)。全(quan)球對(dui)能(neng)源(yuan)供應(ying)和(he)(he)環(huan)境(jing)保護的(de)需求(qiu)(qiu)急(ji)劇增加，迫使(shi)世界面(mian)臨經濟危機。據*近報道，全(quan)球能(neng)耗(hao)每年約為(wei)4.1×10 20 J--其80%來(lai)自不可(ke)(ke)再生碳密(mi)集(ji)型化石燃料，包括煤(mei)、石油和(he)(he)天然(ran)氣。過度依(yi)賴燃燒化石燃料帶來(lai)了(le)許多環(huan)境(jing)問題，增加了(le)全(quan)球經濟的(de)負(fu)擔(dan)。隨著世界的(de)不斷發展，能(neng)源(yuan)需求(qiu)(qiu)迅速增長，地球不可(ke)(ke)再生能(neng)源(yuan)總量相當有限(xian)。因(yin)此，為(wei)了(le)滿足日益增長的(de)能(neng)源(yuan)需求(qiu)(qiu)，減少(shao)對(dui)環(huan)境(jing)的(de)應(ying)力，需要安全(quan)、實用、可(ke)(ke)持續、性能(neng)良好的(de)能(neng)量轉換和(he)(he)存儲設(she)備。

　　電(dian)化(hua)學電(dian)容(rong)(rong)器(qi)*近引起了人們的(de)(de)極(ji)大興趣，包(bao)括顯著的(de)(de)循(xun)環效率、預(yu)期的(de)(de)循(xun)環壽(shou)命、快速(su)充(chong)放電(dian)率和優(you)良的(de)(de)功率密度，以(yi)及便攜式(shi)電(dian)子、混合電(dian)動汽(qi)車(che)和存儲器(qi)的(de)(de)備用設備。毫無疑(yi)問，活性(xing)炭雙層電(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)性(xing)能主要取決于其(qi)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)的(de)(de)類型和形式(shi)。超級電(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)紋理電(dian)位電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)研究(jiu)以(yi)各種形式(shi)進行(xing)了報(bao)道。以(yi)活性(xing)炭為材(cai)料(liao)，如活性(xing)炭、石墨烯、碳(tan)(tan)納米結構，如管道和纖維、來(lai)自碳(tan)(tan)化(hua)物的(de)(de)碳(tan)(tan)等。

　　此外，活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭具有(you)多孔結(jie)構豐富(fu)、雜原子自摻雜、物理化(hua)學穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)和環保等優點，廣泛(fan)應用于能(neng)(neng)源相(xiang)關(guan)領域，以滿足(zu)能(neng)(neng)源供應的(de)迫切需求。截至目前，堅果殼(ke)、椰殼(ke)、木材(cai)、動物骨、纖維等各種活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭材(cai)料已被廣泛(fan)用作制造電容器(qi)的(de)前體。大多數報(bao)告(gao)稱，活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)儲(chu)能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)超過了(le)其(qi)他非活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭材(cai)料的(de)儲(chu)能(neng)(neng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極PTFE，乙炔碳(tan)黑(hei)10%，活性炭85%。將所有材(cai)料(liao)均(jun)勻混合，然(ran)后(hou)在(zai)(zai)1.4MPa將其壓(ya)(ya)在(zai)(zai)鎳泡沫基材(cai)上，然(ran)后(hou)在(zai)(zai)真空(kong)烘箱中壓(ya)(ya)在(zai)(zai)110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器上的活性物(wu)質(zhi)量約為4.7mg·cm -2。6.通過(guo)多孔膜分離M KOH對稱雙電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組裝電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解質(zhi)水溶液。采用循(xun)環(huan)伏(fu)安法(CV)，恒電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)阻抗(kang)光(guang)譜(EIS)研究樣品(pin)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容性能。在(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)5的頻率范(fan)圍內mV在(zai)(zai)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位下(xia)測量范(fan)圍EIS光(guang)譜。所有電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)測量均(jun)在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)工作站(zhan)進行(xing)(xing)。所有試(shi)驗(yan)均(jun)在(zai)(zai)室溫(wen)下(xia)進行(xing)(xing)。

　　活性炭的形狀和結構(gou)

　　四(si)個活(huo)(huo)性(xing)炭樣(yang)品(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖譜顯示沒有尖銳(rui)和強峰(feng)(feng)(如圖1所示)，表示所有活(huo)(huo)性(xing)炭樣(yang)品的(de)(de)非(fei)晶狀(zhuang)態。一方(fang)面位于23左右(you)°位于44的(de)(de)寬峰(feng)(feng)和寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是無定形(xing)石(shi)(shi)墨碳的(de)(de)特征峰(feng)(feng)，表明LSC樣(yang)品的(de)(de)石(shi)(shi)墨化程(cheng)度有限。另一方(fang)面，以44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)(de)出現表明電導率的(de)(de)提高。特別地，LSC-1在44°與其他樣(yang)品相比，觀察到的(de)(de)尖銳(rui)峰(feng)(feng)值表明，LSC-石(shi)(shi)墨化程(cheng)度提高。

　　電化學表征活性(xing)炭

　　基于活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)樣(yang)品(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容性(xing)，LSC-3和LSC-4通過電(dian)(dian)化(hua)學技術(shu)序列進行評估，包括室溫下CV，GCD和EIS測試。圖(tu)2顯(xian)示了四個不(bu)同掃描(miao)速(su)率的(de)(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如(ru)所(suo)見，所(suo)有(you)超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)在(zai)相對較低的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)速(su)率下具有(you)理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)矩形電(dian)(dian)容性(xing)能，即充電(dian)(dian) - 雙層電(dian)(dian)容器(qi)在(zai)放電(dian)(dian)過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)典型性(xing)質(zhi)(zhi)。即使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)(de)(de)高掃描(miao)速(su)率下，如(ru)圖(tu)2所(suo)示d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)CV由于樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)優良(liang)導電(dian)(dian)性(xing)和低質(zhi)(zhi)量傳輸電(dian)(dian)阻，曲線保持了伏安(an)曲線的(de)(de)(de)(de)準矩形狀，幾(ji)乎(hu)沒有(you)變形。顯(xian)然，短離子(zi)通道和電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)(zhi)儲(chu)層的(de)(de)(de)(de)快速(su)離子(zi)運(yun)輸來(lai)自活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)分層孔結構。類似地(di)，超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)由于理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)(de)分層多孔結構和活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)(de)高表面積而顯(xian)示出*高的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容值。

　　碳化(hua)活化(hua)前，由纖維(wei)材料(liao)合(he)(he)成四種活性炭(tan)。所有(you)制備(bei)的(de)(de)活性炭(tan)主要(yao)表(biao)(biao)現(xian)為(wei)微孔(kong)結構。發現(xian)通過ZnCl 2活化(hua)法制備(bei)的(de)(de)活性炭(tan)表(biao)(biao)現(xian)出(chu)*大(da)的(de)(de)比表(biao)(biao)面積，在(zai)所有(you)活性炭(tan)樣品中表(biao)(biao)現(xian)出(chu)*佳的(de)(de)電化(hua)學性能(neng)，其中0.1A·g 的(de)(de)電容(rong)為(wei)107.4F·g -1 -1.對(dui)稱雙電極電池。隨著電流密度大(da)于1，這(zhe)些(xie)活性炭(tan)基(ji)超級電容(rong)器(qi)的(de)(de)電容(rong)僅大(da)于1A·g -而略(lve)有(you)變化(hua)。所有(you)超級電容(rong)器(qi)在(zai)1中顯示出(chu)優異的(de)(de)電化(hua)學穩定(ding)性A·g -1的(de)(de) 充放電循環5000次后，LSC-1型超級電容(rong)器(qi)的(de)(de)電容(rong)保(bao)持在(zai)92.6%以上。這(zhe)些(xie)結果表(biao)(biao)明，纖維(wei)材料(liao)是合(he)(he)理(li)設計(ji)和(he)制備(bei)具有(you)高表(biao)(biao)面積和(he)優良電化(hua)學性能(neng)的(de)(de)活性炭(tan)的(de)(de)好候選人(ren)。