活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭全固態超級電容器的電容行為

　　儲能設備的開發對于可變電子學中的應用具有重要意義。在可用的各種儲能設備中，電化學超級電容器由于其高功率密度，長循環壽命，耐用性和穩定性而成為有前途的候選者。此外，這些類型的電容器也適用于各種應用，包括便攜式設備，電動汽車和儲能系統。這些應用不僅需要高電容來運行，而且還需要循環穩定性。為了開發諸如便攜式設備，下一代顯示器和電動車輛之類的技術，還需要持續開發包括活性炭，石墨烯和碳納米管在內的碳基活性材料。

　　活性炭是制備高性能電化學超級電容器的合適材料�？梢酝ㄟ^物理/化學工藝用常見的材料制造活性炭，另外活性炭的疏水性會阻止電解質離子吸收到電極界面。表面改性方法是克服此問題的根本原因之一，以賦予活性炭親水性。我們通過刮刀法將活性炭結合到鋁基板上，以生產全固態超級電容器。通過循環伏安法和電化學阻抗譜表征了全固態超級電容器的電化學性能。還進行了恒電流充電/放電測試，以顯示基于活性炭的超級電容器的穩定性。通過表征其電化學性質，例如在活性炭功能化后比電容的變化，可以證明這一點。還進行了基于聚合物的固態電解質的生產，以生產全固態超級電容器。

　　電極和活性炭超級電容器的制造

　　制備交流電和酸處理的交流電超級電容器的過程在圖1說明。將制備的鋁箔用乙醇洗滌并壓平(步驟1)，然后通過刮刀涂布法將電極漿料涂布在鋁箔上(步驟2)。將涂覆的鋁箔切成1厘米寬，4厘米長(步驟3)。通過深涂法將電極浸入凝膠聚合物電解質中30分鐘，然后置于室溫下直至電解質干燥(步驟4)。最后，將兩個電極以三明治結構組裝，以生產全固態超級電容器。

　　圖1：通過刮刀法制備基于活性炭的全固態超級電容器。

　　通過FT-IR光譜確認了活性炭上官能團的引入(圖2)。在圖2d，羧酸根陰離子的羰基伸縮出現在峰值用于酸處理的活性炭。另外的峰也來自羧酸基團的O–HCO延伸，這表明活性炭上的官能團是通過酸處理引入的。在另一方面，在酸處理的活性炭峰值在原始活性炭圖的曲線圖中未觀察到。

　　圖2：活性炭和官能活性炭分散體與超聲處理1個小時。的FT-IR光譜Ç活性炭和d官能活性炭。

　　活性炭超級電容器的電化學性能測試方法

　　循環伏安法：使用電化學工作站在兩電極系統下于室溫下對活性炭充滿設備和酸處理的活性炭充滿設備進行循環伏安(CV)測量。所有CV測量值均以5–100mV/s-1的掃描速率范圍和0–1V的電位范圍記錄。

　　電化學阻抗譜：電化學阻抗譜(EIS)用于探測電極/電解質界面處的電阻以及離子在電解質中的擴散。EIS測量是在室溫下使用電化學工作站進行的，該工作站的頻率范圍為100kHz至0.01Hz，在開路電勢下的振幅為1mV(rms)。

　　充放電測量：使用電化學工作站在0至1V電壓之間以電流密度0.5–5Ag-1進行一對交流和酸處理的交流活性炭超級電容器。通過室溫下的3000次充放電循環來測定循環穩定性。

　　經過反復測試發現酸處理的活性炭制成的超級電容器。酸所有CV曲線顯示準矩形形狀，這表明酸處理的活性炭具有理想的電化學性能和優良的可逆性。在低頻下，線的斜率增加，表明其低擴散電阻。酸處理的活性炭的電容行為增強了。比電容是相對于增加，從而增加掃描速率，這可能是由于缺乏高掃描速率下的充電/放電時間所致�；钚蕴亢退崽幚磉^的活性炭的區別，發現HNO3對活性炭的表面腐蝕有影響。酸處理過的活性炭中的氧含量官能化之后增加，而碳含量減少。氧含量的增加表明，通過將親水性基團引入活性炭，可以使活性材料與電解質之間產生強烈的相互作用。

　　活性炭全固態超級電容器的電容行為，物理性質在活性炭功能化之前和之后，通過場發射掃描電子顯微鏡測量活性炭的粒度。發現了羧酸根陰離子和羧酸的羰基延伸。另外，使用刮涂法成功地制造了酸處理的活性炭超級電容器。經過酸處理的活性炭才會電容器在循環伏安圖中顯示出電容電流，表明在各種掃描速率下的典型電容行為。用于酸處理的活性炭制成的電容器電容值比較高。經過3000次充電/放電循環后，酸處理過的活性炭顯示出95%的高循環穩定性。我們證明了用硝酸對活性炭的改性表現出更好的電化學性能。

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