活(huo)性炭的電化學性能

　　能(neng)(neng)源問(wen)題是21世紀活性(xing)炭電化學性(xing)能(neng)(neng)*顯著的(de)全球(qiu)(qiu)挑(tiao)戰之(zhi)一。全球(qiu)(qiu)對(dui)能(neng)(neng)源供應和(he)環境保護的(de)需求急劇增加，迫(po)使世界面臨經(jing)濟危機(ji)。據*近報道，全球(qiu)(qiu)能(neng)(neng)耗每年約為(wei)4.1×10 20 J--其80%來自不(bu)可(ke)再(zai)生(sheng)碳密集型化石燃(ran)料(liao)，包括(kuo)煤、石油和(he)天(tian)然氣。過度依賴燃(ran)燒(shao)化石燃(ran)料(liao)帶來了許(xu)多(duo)環境問(wen)題，增加了全球(qiu)(qiu)經(jing)濟的(de)負擔。隨著世界的(de)不(bu)斷(duan)發展，能(neng)(neng)源需求迅速增長，地球(qiu)(qiu)不(bu)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)(neng)源總量(liang)相當有限(xian)。因此(ci)，為(wei)了滿(man)足日(ri)益增長的(de)能(neng)(neng)源需求，減少對(dui)環境的(de)應力，需要安全、實用、可(ke)持續、性(xing)能(neng)(neng)良好(hao)的(de)能(neng)(neng)量(liang)轉換和(he)存儲設備。

　　電(dian)(dian)化學電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)*近引起(qi)了(le)人(ren)們的極(ji)大興(xing)趣，包括顯著的循(xun)環(huan)效(xiao)率(lv)、預期的循(xun)環(huan)壽命、快速充放(fang)電(dian)(dian)率(lv)和(he)(he)優(you)良的功率(lv)密(mi)度，以(yi)及便攜式電(dian)(dian)子、混合(he)電(dian)(dian)動(dong)汽車和(he)(he)存儲器(qi)的備用設備。毫無疑(yi)問，活(huo)(huo)性(xing)炭雙層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的性(xing)能(neng)主要取(qu)決(jue)于其電(dian)(dian)極(ji)材料的類(lei)型和(he)(he)形式。超級電(dian)(dian)容(rong)(rong)器(qi)的紋理電(dian)(dian)位電(dian)(dian)極(ji)材料研(yan)究以(yi)各種形式進(jin)行了(le)報道。以(yi)活(huo)(huo)性(xing)炭為材料，如活(huo)(huo)性(xing)炭、石墨烯、碳納米結構，如管道和(he)(he)纖維、來自碳化物的碳等。

　　此外，活性(xing)(xing)炭(tan)具有(you)多(duo)(duo)孔(kong)結(jie)構(gou)豐(feng)富、雜(za)原(yuan)子自摻雜(za)、物(wu)理化(hua)學穩(wen)定性(xing)(xing)和環(huan)保等優點，廣泛應用于能(neng)源相關領(ling)域，以滿足能(neng)源供應的(de)迫切需求。截至目前，堅果殼、椰殼、木材(cai)、動物(wu)骨、纖維等各種活性(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料已被(bei)廣泛用作制造(zao)電(dian)容器(qi)的(de)前體(ti)。大多(duo)(duo)數報告稱，活性(xing)(xing)炭(tan)的(de)儲(chu)能(neng)性(xing)(xing)能(neng)超過(guo)了其他(ta)非活性(xing)(xing)炭(tan)材(cai)料的(de)儲(chu)能(neng)性(xing)(xing)能(neng)。

　　活性炭的電化學性能

　　5%的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)極PTFE，乙炔碳黑10%，活性炭85%。將所(suo)有材料均勻混合，然(ran)后在(zai)(zai)1.4MPa將其壓(ya)在(zai)(zai)鎳(nie)泡(pao)沫(mo)基材上(shang)，然(ran)后在(zai)(zai)真空(kong)烘箱中(zhong)壓(ya)在(zai)(zai)110℃干燥12小時。每個集電(dian)(dian)(dian)器上(shang)的(de)(de)(de)活性物(wu)質量約為4.7mg·cm -2。6.通(tong)過多孔膜(mo)分離M KOH對(dui)稱雙電(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)池組裝電(dian)(dian)(dian)解(jie)質水溶液。采用循環伏安法(CV)，恒電(dian)(dian)(dian)流充放電(dian)(dian)(dian)(GCD)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)阻抗光(guang)(guang)譜(EIS)研究樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容性能。在(zai)(zai)0.01Hz-100KHz在(zai)(zai)5的(de)(de)(de)頻率范圍內mV在(zai)(zai)開路(lu)電(dian)(dian)(dian)位下測(ce)量范圍EIS光(guang)(guang)譜。所(suo)有電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)測(ce)量均在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)化(hua)學(xue)(xue)工作站(zhan)進行(xing)。所(suo)有試(shi)驗均在(zai)(zai)室溫下進行(xing)。

　　活性炭(tan)的形狀和(he)結構

　　四(si)個活性炭樣(yang)品(pin)(LSC-1-4)的(de)(de)(de)XRD圖譜顯示沒有尖(jian)銳和(he)強峰(feng)(feng)(feng)(如圖1所(suo)示)，表(biao)示所(suo)有活性炭樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)非(fei)晶(jing)狀(zhuang)態(tai)。一方面位(wei)(wei)于23左右°位(wei)(wei)于44的(de)(de)(de)寬峰(feng)(feng)(feng)和(he)寬峰(feng)(feng)(feng)°弱峰(feng)(feng)(feng)是無定(ding)形石墨碳(tan)的(de)(de)(de)特(te)征峰(feng)(feng)(feng)，表(biao)明(ming)LSC樣(yang)品(pin)的(de)(de)(de)石墨化程(cheng)度(du)有限。另一方面，以44°中心弱峰(feng)(feng)(feng)的(de)(de)(de)出現表(biao)明(ming)電導率(lv)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)。特(te)別(bie)地(di)，LSC-1在(zai)44°與其他樣(yang)品(pin)相比(bi)，觀察(cha)到的(de)(de)(de)尖(jian)銳峰(feng)(feng)(feng)值表(biao)明(ming)，LSC-石墨化程(cheng)度(du)提(ti)高(gao)。

　　電化(hua)學表征活性炭

　　基于(yu)活(huo)性炭的(de)(de)(de)(de)超(chao)級電(dian)(dian)容器(qi)的(de)(de)(de)(de)活(huo)性炭樣品(pin)(SC-LSC)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容性，LSC-3和(he)(he)LSC-4通(tong)(tong)過電(dian)(dian)化(hua)學技術序列進行評(ping)估，包(bao)括(kuo)室溫下CV，GCD和(he)(he)EIS測試。圖2顯(xian)示(shi)了四個(ge)不同掃描(miao)(miao)速(su)率(lv)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。如所(suo)見，所(suo)有(you)(you)超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性炭在相對(dui)較低(di)的(de)(de)(de)(de)掃描(miao)(miao)速(su)率(lv)下具(ju)有(you)(you)理想的(de)(de)(de)(de)矩形(xing)電(dian)(dian)容性能，即充電(dian)(dian) - 雙層電(dian)(dian)容器(qi)在放電(dian)(dian)過程中的(de)(de)(de)(de)典型性質。即使在500 mV·s -在1的(de)(de)(de)(de)高掃描(miao)(miao)速(su)率(lv)下，如圖2所(suo)示(shi)d，SC-LSCs的(de)(de)(de)(de)CV由(you)于(yu)樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)優良導電(dian)(dian)性和(he)(he)低(di)質量傳輸電(dian)(dian)阻，曲線保(bao)持了伏安曲線的(de)(de)(de)(de)準矩形(xing)狀，幾(ji)乎沒有(you)(you)變形(xing)。顯(xian)然，短離子(zi)通(tong)(tong)道(dao)和(he)(he)電(dian)(dian)解質儲層的(de)(de)(de)(de)快速(su)離子(zi)運輸來自活(huo)性炭樣品(pin)的(de)(de)(de)(de)分(fen)層孔結(jie)(jie)構。類似地，超(chao)級電(dian)(dian)容活(huo)性炭由(you)于(yu)理想的(de)(de)(de)(de)分(fen)層多(duo)孔結(jie)(jie)構和(he)(he)活(huo)性炭的(de)(de)(de)(de)高表面(mian)積而顯(xian)示(shi)出*高的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)容值。

　　碳化(hua)(hua)活(huo)(huo)化(hua)(hua)前，由(you)纖維(wei)材(cai)(cai)料合(he)成四種(zhong)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)。所有制(zhi)備的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)主要表現為微孔(kong)結構(gou)。發現通過ZnCl 2活(huo)(huo)化(hua)(hua)法制(zhi)備的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)表現出(chu)*大的(de)(de)(de)比表面積，在所有活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)樣品中表現出(chu)*佳的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能(neng)，其中0.1A·g 的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)為107.4F·g -1 -1.對稱雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)極電(dian)(dian)(dian)(dian)池。隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)流密度(du)大于1，這些活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)基超(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)僅大于1A·g -而略(lve)有變化(hua)(hua)。所有超(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器在1中顯示出(chu)優異的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學穩(wen)定性(xing)A·g -1的(de)(de)(de) 充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)循環5000次后，LSC-1型超(chao)級(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)保(bao)持在92.6%以上(shang)。這些結果表明(ming)，纖維(wei)材(cai)(cai)料是合(he)理設計和(he)制(zhi)備具有高表面積和(he)優良(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)好(hao)候(hou)選人。