活性炭(tan)的電化(hua)學性能

　　能(neng)(neng)(neng)源問(wen)題是21世(shi)紀(ji)活性(xing)炭(tan)電化學性(xing)能(neng)(neng)(neng)*顯著(zhu)的(de)全(quan)(quan)球挑(tiao)戰之一。全(quan)(quan)球對能(neng)(neng)(neng)源供應和(he)環(huan)境(jing)保(bao)護的(de)需(xu)求急劇(ju)增加(jia)，迫(po)使世(shi)界面臨經濟(ji)危(wei)機。據*近(jin)報道，全(quan)(quan)球能(neng)(neng)(neng)耗每年約為4.1×10 20 J--其80%來(lai)自不(bu)可(ke)再(zai)生碳密集(ji)型化石(shi)(shi)(shi)燃(ran)料(liao)，包(bao)括煤、石(shi)(shi)(shi)油和(he)天然氣。過度依賴燃(ran)燒化石(shi)(shi)(shi)燃(ran)料(liao)帶(dai)來(lai)了(le)許(xu)多環(huan)境(jing)問(wen)題，增加(jia)了(le)全(quan)(quan)球經濟(ji)的(de)負擔。隨著(zhu)世(shi)界的(de)不(bu)斷發展，能(neng)(neng)(neng)源需(xu)求迅速增長(chang)，地球不(bu)可(ke)再(zai)生能(neng)(neng)(neng)源總量(liang)相(xiang)當(dang)有限。因此，為了(le)滿足日益增長(chang)的(de)能(neng)(neng)(neng)源需(xu)求，減少對環(huan)境(jing)的(de)應力，需(xu)要安全(quan)(quan)、實用、可(ke)持續、性(xing)能(neng)(neng)(neng)良好的(de)能(neng)(neng)(neng)量(liang)轉換和(he)存儲設備。

　　電(dian)(dian)化(hua)學電(dian)(dian)容器(qi)*近引起(qi)了人們的(de)(de)極(ji)大(da)興趣，包括顯著的(de)(de)循環效率、預期(qi)的(de)(de)循環壽命、快(kuai)速充放(fang)電(dian)(dian)率和優良的(de)(de)功率密度，以(yi)及便攜(xie)式(shi)電(dian)(dian)子、混合電(dian)(dian)動汽車(che)和存儲器(qi)的(de)(de)備用設備。毫無疑問，活性(xing)炭雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)性(xing)能主要(yao)取決于其電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料的(de)(de)類型和形式(shi)。超級電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)紋理電(dian)(dian)位電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料研究以(yi)各(ge)種(zhong)形式(shi)進(jin)行了報道。以(yi)活性(xing)炭為材(cai)料，如活性(xing)炭、石墨烯、碳(tan)納(na)米(mi)結構，如管道和纖維、來自碳(tan)化(hua)物的(de)(de)碳(tan)等(deng)。

　　此外，活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)具有多孔結構豐(feng)富、雜原子自摻雜、物(wu)理(li)化學穩定性(xing)(xing)和(he)環(huan)保等優點，廣泛(fan)應用(yong)于能源(yuan)相關領(ling)域(yu)，以滿(man)足(zu)能源(yuan)供應的迫(po)切需求。截(jie)至目前(qian)，堅果殼(ke)、椰殼(ke)、木材、動(dong)物(wu)骨、纖(xian)維等各種活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)材料已被廣泛(fan)用(yong)作制造電容(rong)器的前(qian)體。大多數(shu)報告(gao)稱，活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的儲(chu)能性(xing)(xing)能超(chao)過了其他非(fei)活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)材料的儲(chu)能性(xing)(xing)能。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)PTFE，乙炔碳黑10%，活性(xing)炭85%。將所有(you)材料均勻混合，然(ran)后在(zai)1.4MPa將其壓在(zai)鎳泡沫基(ji)材上(shang)，然(ran)后在(zai)真空烘箱(xiang)中壓在(zai)110℃干燥12小時。每個集(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器上(shang)的(de)活性(xing)物質量(liang)約為4.7mg·cm -2。6.通(tong)過(guo)多孔膜(mo)分離(li)M KOH對稱(cheng)雙電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組裝(zhuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解質水(shui)溶液。采用循環伏安(an)法(CV)，恒(heng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)阻抗光(guang)譜(EIS)研(yan)究樣品的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容性(xing)能(neng)。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的(de)頻率范(fan)圍內mV在(zai)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)下(xia)測量(liang)范(fan)圍EIS光(guang)譜。所有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)測量(liang)均在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)工作站進(jin)行。所有(you)試驗均在(zai)室溫下(xia)進(jin)行。

　　活(huo)性(xing)炭的形狀和結(jie)構

　　四個(ge)活(huo)性炭(tan)樣品(LSC-1-4)的(de)(de)(de)XRD圖譜顯示沒有(you)(you)尖銳和(he)強峰(feng)(feng)(如圖1所(suo)示)，表(biao)示所(suo)有(you)(you)活(huo)性炭(tan)樣品的(de)(de)(de)非(fei)晶狀態。一方面(mian)位于23左右°位于44的(de)(de)(de)寬峰(feng)(feng)和(he)寬峰(feng)(feng)°弱(ruo)峰(feng)(feng)是(shi)無定形(xing)石墨(mo)碳(tan)的(de)(de)(de)特征峰(feng)(feng)，表(biao)明LSC樣品的(de)(de)(de)石墨(mo)化(hua)程度有(you)(you)限。另(ling)一方面(mian)，以(yi)44°中心(xin)弱(ruo)峰(feng)(feng)的(de)(de)(de)出現表(biao)明電(dian)導率的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)。特別地，LSC-1在44°與其他(ta)樣品相比，觀察到的(de)(de)(de)尖銳峰(feng)(feng)值表(biao)明，LSC-石墨(mo)化(hua)程度提(ti)高(gao)。

　　電(dian)化學(xue)表(biao)征活性炭

　　基于(yu)活(huo)(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)炭樣品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)，LSC-3和(he)LSC-4通(tong)過電(dian)(dian)化(hua)學(xue)技(ji)術序列進行(xing)評估(gu)，包括(kuo)室溫下CV，GCD和(he)EIS測試(shi)。圖2顯示了四個不同掃(sao)描速率(lv)的(de)(de)(de)人SC-LSC的(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)勢窗的(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所(suo)見(jian)，所(suo)有超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)活(huo)(huo)性(xing)炭在(zai)相對較低的(de)(de)(de)掃(sao)描速率(lv)下具(ju)有理想(xiang)的(de)(de)(de)矩(ju)形(xing)電(dian)(dian)容(rong)(rong)性(xing)能(neng)，即充電(dian)(dian) - 雙(shuang)層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)在(zai)放電(dian)(dian)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)典型性(xing)質(zhi)。即使在(zai)500 mV·s -在(zai)1的(de)(de)(de)高(gao)掃(sao)描速率(lv)下，如圖2所(suo)示d，SC-LSCs的(de)(de)(de)CV由于(yu)樣品(pin)的(de)(de)(de)優(you)良(liang)導電(dian)(dian)性(xing)和(he)低質(zhi)量傳輸電(dian)(dian)阻，曲(qu)線保持(chi)了伏安(an)曲(qu)線的(de)(de)(de)準矩(ju)形(xing)狀，幾乎沒有變(bian)形(xing)。顯然，短離子通(tong)道和(he)電(dian)(dian)解質(zhi)儲層(ceng)的(de)(de)(de)快(kuai)速離子運輸來(lai)自(zi)活(huo)(huo)性(xing)炭樣品(pin)的(de)(de)(de)分層(ceng)孔(kong)結構(gou)。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)容(rong)(rong)活(huo)(huo)性(xing)炭由于(yu)理想(xiang)的(de)(de)(de)分層(ceng)多(duo)孔(kong)結構(gou)和(he)活(huo)(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)高(gao)表面積而顯示出*高(gao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)值。

　　碳化(hua)(hua)(hua)活(huo)(huo)化(hua)(hua)(hua)前，由纖維材料合(he)成四種(zhong)活(huo)(huo)性炭。所有(you)制備(bei)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性炭主要表現(xian)(xian)為微(wei)孔(kong)結(jie)(jie)構。發現(xian)(xian)通過ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)(hua)(hua)法制備(bei)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性炭表現(xian)(xian)出(chu)*大的(de)(de)(de)比表面積，在(zai)所有(you)活(huo)(huo)性炭樣(yang)品中(zhong)表現(xian)(xian)出(chu)*佳(jia)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)(hua)(hua)學性能(neng)，其中(zhong)0.1A·g 的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)(rong)為107.4F·g -1 -1.對(dui)稱雙電(dian)極電(dian)池。隨著電(dian)流密度大于(yu)1，這(zhe)(zhe)些活(huo)(huo)性炭基超級(ji)(ji)電(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)(rong)僅大于(yu)1A·g -而略有(you)變化(hua)(hua)(hua)。所有(you)超級(ji)(ji)電(dian)容(rong)(rong)器在(zai)1中(zhong)顯示出(chu)優(you)異的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)(hua)(hua)學穩定性A·g -1的(de)(de)(de) 充放電(dian)循(xun)環(huan)5000次后，LSC-1型超級(ji)(ji)電(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)(rong)保持(chi)在(zai)92.6%以上。這(zhe)(zhe)些結(jie)(jie)果表明，纖維材料是合(he)理設(she)計和(he)制備(bei)具有(you)高表面積和(he)優(you)良電(dian)化(hua)(hua)(hua)學性能(neng)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性炭的(de)(de)(de)好候選人。