活性炭(tan)的電化(hua)學性能

　　能(neng)(neng)(neng)(neng)源問題是21世紀活(huo)性炭(tan)電化(hua)學(xue)性能(neng)(neng)(neng)(neng)*顯著的全(quan)球(qiu)挑戰之一(yi)。全(quan)球(qiu)對能(neng)(neng)(neng)(neng)源供應(ying)和環(huan)境保護的需(xu)求(qiu)急劇增(zeng)加，迫使世界(jie)面臨(lin)經濟危機。據*近報道，全(quan)球(qiu)能(neng)(neng)(neng)(neng)耗每年約為4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)(bu)可(ke)再生碳密集型(xing)化(hua)石燃(ran)料，包括煤(mei)、石油和天然氣。過度依賴燃(ran)燒化(hua)石燃(ran)料帶(dai)來了許多環(huan)境問題，增(zeng)加了全(quan)球(qiu)經濟的負擔(dan)。隨著世界(jie)的不(bu)(bu)斷發展(zhan)，能(neng)(neng)(neng)(neng)源需(xu)求(qiu)迅速增(zeng)長，地球(qiu)不(bu)(bu)可(ke)再生能(neng)(neng)(neng)(neng)源總量相當有(you)限。因此，為了滿(man)足(zu)日(ri)益增(zeng)長的能(neng)(neng)(neng)(neng)源需(xu)求(qiu)，減(jian)少對環(huan)境的應(ying)力，需(xu)要安全(quan)、實用、可(ke)持(chi)續、性能(neng)(neng)(neng)(neng)良好的能(neng)(neng)(neng)(neng)量轉換和存儲(chu)設備。

　　電(dian)化學(xue)電(dian)容(rong)(rong)器(qi)*近引起了人們的(de)極大興趣(qu)，包括顯著的(de)循(xun)環(huan)效率(lv)、預(yu)期的(de)循(xun)環(huan)壽命、快速充(chong)放電(dian)率(lv)和優良(liang)的(de)功率(lv)密(mi)度，以(yi)及(ji)便攜(xie)式電(dian)子、混合電(dian)動汽車和存儲器(qi)的(de)備用設備。毫無疑問，活性(xing)炭雙層電(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)性(xing)能主要取決于其(qi)電(dian)極材料(liao)的(de)類型和形(xing)式。超級電(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)紋理(li)電(dian)位電(dian)極材料(liao)研究以(yi)各種形(xing)式進行了報道(dao)。以(yi)活性(xing)炭為材料(liao)，如(ru)活性(xing)炭、石(shi)墨烯、碳納米(mi)結構，如(ru)管道(dao)和纖維、來自碳化物的(de)碳等。

　　此外，活(huo)性(xing)(xing)炭具(ju)有多(duo)孔結構豐富、雜原子自摻雜、物理化學穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)和環保等優點，廣(guang)泛應(ying)用于(yu)能(neng)源(yuan)相(xiang)關領域(yu)，以滿足能(neng)源(yuan)供應(ying)的迫切需求。截至(zhi)目前，堅果殼(ke)、椰殼(ke)、木材、動物骨、纖維等各種活(huo)性(xing)(xing)炭材料已被廣(guang)泛用作制造電容(rong)器的前體。大多(duo)數(shu)報告稱，活(huo)性(xing)(xing)炭的儲能(neng)性(xing)(xing)能(neng)超過了其(qi)他非(fei)活(huo)性(xing)(xing)炭材料的儲能(neng)性(xing)(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的電(dian)極(ji)(ji)PTFE，乙炔碳(tan)黑10%，活(huo)性炭85%。將所(suo)有材料均勻(yun)混合，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)(zai)(zai)1.4MPa將其壓(ya)在(zai)(zai)(zai)(zai)鎳泡沫基材上，然(ran)后(hou)(hou)在(zai)(zai)(zai)(zai)真空烘(hong)箱(xiang)中壓(ya)在(zai)(zai)(zai)(zai)110℃干(gan)燥12小(xiao)時。每個集電(dian)器上的活(huo)性物(wu)質量(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔膜分離(li)M KOH對(dui)稱雙(shuang)電(dian)極(ji)(ji)電(dian)池組(zu)裝電(dian)解質水溶(rong)液。采用循環伏(fu)安(an)法(CV)，恒電(dian)流(liu)充放電(dian)(GCD)電(dian)化(hua)學阻抗光譜(pu)(EIS)研究樣品的電(dian)容性能。在(zai)(zai)(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)(zai)(zai)5的頻率范圍內mV在(zai)(zai)(zai)(zai)開路(lu)電(dian)位下(xia)測量(liang)范圍EIS光譜(pu)。所(suo)有電(dian)化(hua)學測量(liang)均在(zai)(zai)(zai)(zai)電(dian)化(hua)學工作站進行。所(suo)有試(shi)驗均在(zai)(zai)(zai)(zai)室溫(wen)下(xia)進行。

　　活性炭的形狀(zhuang)和結構

　　四個活性(xing)炭樣(yang)品(pin)(LSC-1-4)的(de)(de)XRD圖(tu)譜顯示沒有(you)尖(jian)(jian)銳和強峰(feng)(feng)(如圖(tu)1所(suo)示)，表示所(suo)有(you)活性(xing)炭樣(yang)品(pin)的(de)(de)非(fei)晶狀態。一方面位于(yu)23左右°位于(yu)44的(de)(de)寬峰(feng)(feng)和寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是無定形石(shi)墨碳的(de)(de)特(te)征峰(feng)(feng)，表明LSC樣(yang)品(pin)的(de)(de)石(shi)墨化程度(du)有(you)限。另一方面，以44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)(de)出現表明電導(dao)率的(de)(de)提高。特(te)別地，LSC-1在(zai)44°與(yu)其他(ta)樣(yang)品(pin)相比，觀察到的(de)(de)尖(jian)(jian)銳峰(feng)(feng)值表明，LSC-石(shi)墨化程度(du)提高。

　　電(dian)化學表征活性炭

　　基于活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣(yang)品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)(xing)，LSC-3和LSC-4通過電(dian)(dian)(dian)(dian)化學技(ji)術序列進(jin)行(xing)評(ping)估，包括室(shi)溫(wen)下CV，GCD和EIS測試(shi)。圖2顯示了四個不(bu)同掃描(miao)速(su)率的(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)范(fan)圍為0-0.8V。如所(suo)(suo)見，所(suo)(suo)有(you)(you)超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)在(zai)(zai)相(xiang)對較低的(de)(de)(de)掃描(miao)速(su)率下具有(you)(you)理(li)(li)想的(de)(de)(de)矩形電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)，即充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian) - 雙層(ceng)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器在(zai)(zai)放電(dian)(dian)(dian)(dian)過程中的(de)(de)(de)典型性(xing)(xing)(xing)(xing)質(zhi)。即使(shi)在(zai)(zai)500 mV·s -在(zai)(zai)1的(de)(de)(de)高掃描(miao)速(su)率下，如圖2所(suo)(suo)示d，SC-LSCs的(de)(de)(de)CV由于樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)優良導電(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)(xing)和低質(zhi)量(liang)傳(chuan)輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻，曲(qu)線(xian)保持了伏安曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)準(zhun)矩形狀，幾乎沒(mei)有(you)(you)變形。顯然，短離(li)(li)子(zi)通道和電(dian)(dian)(dian)(dian)解質(zhi)儲層(ceng)的(de)(de)(de)快速(su)離(li)(li)子(zi)運輸(shu)來(lai)自活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)分(fen)層(ceng)孔結構。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)由于理(li)(li)想的(de)(de)(de)分(fen)層(ceng)多孔結構和活性(xing)(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)高表面(mian)積(ji)而(er)顯示出*高的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)值(zhi)。

　　碳化(hua)活化(hua)前，由(you)纖維(wei)材(cai)料合成四種活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)。所(suo)有(you)制備的(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)主要表(biao)現(xian)為(wei)微孔結(jie)構。發現(xian)通過ZnCl 2活化(hua)法(fa)制備的(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)表(biao)現(xian)出*大的(de)(de)比表(biao)面積(ji)，在所(suo)有(you)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)樣(yang)品中(zhong)表(biao)現(xian)出*佳的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能，其中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容為(wei)107.4F·g -1 -1.對稱雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)池。隨著(zhu)電(dian)(dian)(dian)流密(mi)度大于1，這(zhe)些活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)基超級電(dian)(dian)(dian)容器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容僅大于1A·g -而略有(you)變(bian)化(hua)。所(suo)有(you)超級電(dian)(dian)(dian)容器在1中(zhong)顯示出優異的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de)(de) 充放電(dian)(dian)(dian)循環5000次后(hou)，LSC-1型超級電(dian)(dian)(dian)容器的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容保持(chi)在92.6%以上。這(zhe)些結(jie)果表(biao)明，纖維(wei)材(cai)料是(shi)合理設計和制備具有(you)高表(biao)面積(ji)和優良電(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)好(hao)候選人。