活性炭的(de)電化(hua)學性能

　　能源(yuan)問(wen)題是(shi)21世紀(ji)活性(xing)炭電化(hua)學性(xing)能*顯著(zhu)的(de)(de)(de)全(quan)球(qiu)挑戰之(zhi)一。全(quan)球(qiu)對能源(yuan)供應(ying)和環(huan)境(jing)保(bao)護的(de)(de)(de)需(xu)(xu)求(qiu)急劇增(zeng)加，迫使世界面(mian)臨經濟危機。據*近(jin)報(bao)道，全(quan)球(qiu)能耗每年約(yue)為(wei)4.1×10 20 J--其(qi)80%來自(zi)不(bu)(bu)可再生碳密(mi)集型(xing)化(hua)石燃料，包括煤(mei)、石油(you)和天然氣。過度(du)依賴燃燒化(hua)石燃料帶來了許多環(huan)境(jing)問(wen)題，增(zeng)加了全(quan)球(qiu)經濟的(de)(de)(de)負擔。隨著(zhu)世界的(de)(de)(de)不(bu)(bu)斷發展(zhan)，能源(yuan)需(xu)(xu)求(qiu)迅速增(zeng)長(chang)，地球(qiu)不(bu)(bu)可再生能源(yuan)總(zong)量相當有限。因此，為(wei)了滿足日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)能源(yuan)需(xu)(xu)求(qiu)，減少對環(huan)境(jing)的(de)(de)(de)應(ying)力，需(xu)(xu)要安全(quan)、實用、可持(chi)續(xu)、性(xing)能良(liang)好的(de)(de)(de)能量轉換(huan)和存(cun)儲設備。

　　電(dian)化學電(dian)容(rong)器*近引起了(le)人(ren)們(men)的(de)極大(da)興趣，包(bao)括顯著的(de)循環(huan)(huan)效率(lv)、預期的(de)循環(huan)(huan)壽命(ming)、快速充放電(dian)率(lv)和(he)優良(liang)的(de)功率(lv)密度，以及便攜式(shi)電(dian)子(zi)、混合電(dian)動汽車和(he)存(cun)儲器的(de)備用設備。毫無疑(yi)問，活(huo)性炭雙層電(dian)容(rong)器的(de)性能(neng)主(zhu)要取決于其(qi)電(dian)極材料的(de)類型和(he)形式(shi)。超級電(dian)容(rong)器的(de)紋理電(dian)位電(dian)極材料研究以各種形式(shi)進(jin)行了(le)報道(dao)。以活(huo)性炭為材料，如(ru)活(huo)性炭、石(shi)墨烯、碳納米結構，如(ru)管道(dao)和(he)纖(xian)維、來自(zi)碳化物(wu)的(de)碳等。

　　此(ci)外，活(huo)性(xing)炭具有多(duo)孔結構(gou)豐(feng)富、雜原子(zi)自(zi)摻雜、物(wu)理化學穩定性(xing)和環保等(deng)優點(dian)，廣泛(fan)應用于能(neng)源(yuan)相關領(ling)域，以滿足能(neng)源(yuan)供應的(de)迫切需(xu)求。截(jie)至(zhi)目前(qian)，堅果(guo)殼、椰(ye)殼、木材、動(dong)物(wu)骨、纖維等(deng)各種活(huo)性(xing)炭材料已(yi)被廣泛(fan)用作制造電容(rong)器的(de)前(qian)體。大多(duo)數報告(gao)稱，活(huo)性(xing)炭的(de)儲能(neng)性(xing)能(neng)超過(guo)了其他非活(huo)性(xing)炭材料的(de)儲能(neng)性(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)PTFE，乙炔碳(tan)黑10%，活性(xing)炭85%。將(jiang)所(suo)有(you)材料均(jun)(jun)勻混(hun)合，然后在(zai)1.4MPa將(jiang)其壓在(zai)鎳泡沫基材上(shang)，然后在(zai)真空烘箱中壓在(zai)110℃干燥12小時。每(mei)個集電(dian)(dian)(dian)(dian)器上(shang)的(de)活性(xing)物質(zhi)量約為4.7mg·cm -2。6.通過多孔(kong)膜分離M KOH對稱雙電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)裝電(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)質(zhi)水溶液(ye)。采用(yong)循環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)阻抗光譜(pu)(EIS)研究樣品的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容性(xing)能。在(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)5的(de)頻率范圍內mV在(zai)開(kai)路電(dian)(dian)(dian)(dian)位下測量范圍EIS光譜(pu)。所(suo)有(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)測量均(jun)(jun)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)工作站進行(xing)。所(suo)有(you)試(shi)驗均(jun)(jun)在(zai)室(shi)溫下進行(xing)。

　　活(huo)性炭的形狀和結構

　　四個(ge)活性炭樣(yang)品(pin)(pin)(LSC-1-4)的(de)XRD圖譜顯示沒(mei)有尖銳和強(qiang)峰(feng)(feng)(如圖1所(suo)示)，表(biao)(biao)示所(suo)有活性炭樣(yang)品(pin)(pin)的(de)非晶狀態(tai)。一(yi)方(fang)面位于(yu)23左右°位于(yu)44的(de)寬峰(feng)(feng)和寬峰(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)是無定形(xing)石(shi)墨(mo)碳的(de)特征峰(feng)(feng)，表(biao)(biao)明LSC樣(yang)品(pin)(pin)的(de)石(shi)墨(mo)化程(cheng)度(du)有限。另一(yi)方(fang)面，以44°中心弱峰(feng)(feng)的(de)出現(xian)表(biao)(biao)明電導率的(de)提高(gao)。特別地，LSC-1在44°與其他樣(yang)品(pin)(pin)相比，觀察到的(de)尖銳峰(feng)(feng)值表(biao)(biao)明，LSC-石(shi)墨(mo)化程(cheng)度(du)提高(gao)。

　　電化學表征活性炭(tan)

　　基于活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)超級(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)器的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭(tan)樣品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)性(xing)，LSC-3和(he)(he)LSC-4通過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學技術序列進行評(ping)估(gu)，包括(kuo)室(shi)溫下(xia)CV，GCD和(he)(he)EIS測試(shi)。圖2顯示了(le)四個不同(tong)掃描(miao)(miao)速率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)SC-LSC的(de)(de)(de)(de)(de)CV電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢(shi)窗的(de)(de)(de)(de)(de)范圍為0-0.8V。如所見，所有(you)(you)超級(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)活(huo)性(xing)炭(tan)在(zai)(zai)(zai)(zai)相(xiang)對較低的(de)(de)(de)(de)(de)掃描(miao)(miao)速率(lv)下(xia)具有(you)(you)理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)矩形電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)性(xing)能，即(ji)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian) - 雙(shuang)層電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)器在(zai)(zai)(zai)(zai)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)典(dian)型性(xing)質。即(ji)使在(zai)(zai)(zai)(zai)500 mV·s -在(zai)(zai)(zai)(zai)1的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)掃描(miao)(miao)速率(lv)下(xia)，如圖2所示d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)(de)CV由于樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)優(you)良導電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)和(he)(he)低質量(liang)傳輸(shu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻，曲線(xian)保持了(le)伏(fu)安(an)曲線(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)準矩形狀，幾乎沒(mei)有(you)(you)變形。顯然，短離子通道和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解質儲層的(de)(de)(de)(de)(de)快速離子運(yun)輸(shu)來自活(huo)性(xing)炭(tan)樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層孔結(jie)(jie)構。類似(si)地(di)，超級(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)活(huo)性(xing)炭(tan)由于理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層多孔結(jie)(jie)構和(he)(he)活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)表面積而顯示出*高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)值。

　　碳化(hua)活(huo)(huo)化(hua)前，由纖(xian)維材料合成四種活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)。所有(you)制(zhi)備的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)主要表(biao)現為微孔結(jie)構。發現通過ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)法制(zhi)備的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)表(biao)現出*大(da)的(de)比表(biao)面積，在所有(you)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)樣(yang)品中表(biao)現出*佳的(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能，其中0.1A·g 的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)為107.4F·g -1 -1.對稱雙電(dian)(dian)(dian)極(ji)電(dian)(dian)(dian)池。隨著電(dian)(dian)(dian)流密度大(da)于1，這些(xie)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)基(ji)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)僅大(da)于1A·g -而略有(you)變化(hua)。所有(you)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器在1中顯示出優(you)(you)異的(de)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學穩定性(xing)(xing)(xing)A·g -1的(de) 充(chong)放電(dian)(dian)(dian)循環(huan)5000次后(hou)，LSC-1型(xing)超級(ji)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器的(de)電(dian)(dian)(dian)容(rong)保持(chi)在92.6%以上。這些(xie)結(jie)果表(biao)明，纖(xian)維材料是合理設(she)計(ji)和制(zhi)備具(ju)有(you)高表(biao)面積和優(you)(you)良(liang)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學性(xing)(xing)(xing)能的(de)活(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)好候(hou)選人。