來源：韓研活性炭網(wǎng) 作者：韓研活性炭網(wǎng) 2017-09-14
通過簡單的化學活化過程使最常見的農(nóng)作物廢料轉(zhuǎn)變成了活性炭(AC)。此外，使用活性炭作為陰極和市售的Li 4 Ti 5 O 12作為陽極制造高能量密度的鋰離子電容器(LIC)。優(yōu)化的LIC實現(xiàn)最大能量密度為79.6 W h kg -1，并且還能夠提供4 kW kg -1的高功率密度，遠遠高于其他活性炭作為陰極的類似結構。此外，基于活性炭的LIC顯示出巨大的循環(huán)性能，在2000次循環(huán)后保持85.2%的初始電容值。本研究為開發(fā)使用生物質(zhì)前體碳質(zhì)電極的高性能LIC提供了新的途徑。這些結果使得活性炭成為未來能量儲存應用的最有希望的候選者。
隨著先進儲能市場的蓬勃發(fā)展，提出了緊急需求，滿足日益增長的應用需求，從便攜式電子設備到不間斷電源系統(tǒng)(UPS)和混合動力汽車(HEV)。超級電容器(也稱為SC)和鋰離子電池(LIB)目前被公認為將來應用的兩種有希望的能量存儲解決方案。在技??術上，LIB的能量密度可達180 W h kg -1。盡管LIB具有低功率密度，但是它們已經(jīng)在大多數(shù)功率性能達到能量特性的情況下找到了它們的位置。雖然超級電容器具有低能量密度(小于10W h kg -1)，但它可以提供更高的功率密度(約10kW kg -1)比電池。普遍認為，超級電容器將起到重要作用，如果不能完全替代，可以在儲能領域補充電池。
容易批量生產(chǎn)的高性能電極材料是超級電容器被市場廣泛接受的先決條件。在過去十年中，從活性炭到CNT的碳基材料已經(jīng)被廣泛研究用作用于電化學超級電容器中的電極材料。最近，使用低聚物鹽作為前體制備活性炭來作為LIC的電極材料，許多其他研究人員通過采用不同種類的聚合物合成各種碳材料。然而，來自各種來源(包括生物質(zhì)和有機聚合物)的大多數(shù)活性炭在非水電解質(zhì)中表現(xiàn)出相對較低的容量(?50mA hg -1)。然而，大多數(shù)來自聚合物的碳的研究涉及昂貴的聚合物，繁瑣的過程通常對健康有害。實際上，這些低容量含碳材料幾乎沒有商業(yè)化的潛力。在本研究中，我們首先通過LIC應用的高溫熱解和活化的簡單步驟展示了高容量的大表面積的活性炭。更具體地說，在市售的尖晶石相Li 4 Ti 5 O 12作為陽極的情況下，將用于LIC組裝中的陰極的活性炭(AC)作為陽極，在未來的儲能應用中具有競爭力。
使用電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)來確定活性炭的形態(tài)和結構。圖1顯示了活性炭的SEM和TEM圖像。樣品包括大密度的相互連接的微孔以及大孔。活性炭的N 2吸附-解吸等溫線和孔徑分布(PSD)如圖2所示。顯然，介孔/大孔可以促進質(zhì)量傳遞，從而確保電容器的功率性能。此外，充足的微孔的存在可以有效地增加電荷儲存的活性位點。發(fā)現(xiàn)從N 2吸附 - 解吸等溫線獲得的活性炭的BET比表面積為?2646m 2 g -1，證實存在豐富的微孔。微孔體積為1.50cm 3 g -1，如從PSD的圖確定的。基于活性炭的半電池性能，活性炭與LTO的優(yōu)化質(zhì)量比約為2 ：1。然而，在實驗過程中，通過改變電極涂層的厚度間接控制質(zhì)量負載。因此，用具有不同質(zhì)量密度的材料準確地確定電極的質(zhì)量負載是不切實際的。
活性炭的循環(huán)壽命對實際應用具有重要意義，因此，以2 A g -1的電流密度確定所得活性炭// LTO LIC的循環(huán)曲線。如圖3所示，活性炭// LTO LIC在2000次循環(huán)后保持原值的85.2%。經(jīng)過2251次循環(huán)，達到原值的79.01%。考慮到鋰離子電池經(jīng)常持續(xù)不到1000個循環(huán)，這些結果是可以忍受的。此外，可接受的衰減主要源自市售的Li 4 Ti 5 O 12的固有性質(zhì)。這個問題可以通過諸如活性炭涂層的各種方法來緩解或?qū)TO與其他材料如石墨烯和碳納米纖維集成。
綜上所述，以活性炭為陰極，以商業(yè)Li 4 Ti 5 O 12為陽極構建高能密度LIC 。優(yōu)化的LIC 在200 W kg -1下的最大能量密度為79.6 W h kg -1，遠高于一般活性炭基配置和使用碳質(zhì)材料作為陰極和LTO作為陽極的類似結構。基于活性炭的LIC還能夠提供4 kW kg -1的高功率密度，這是鋰離子充電電池的兩倍(<2 kW kg -1)。本研究為開發(fā)高能量密度LIC的農(nóng)業(yè)廢棄物高表面積活性炭的開發(fā)提供了新的途徑。此外，結果使活性炭成為未來能源儲存應用的最有希望的候選者。
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