活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學研合作

　　隨著電能存儲的增加，社區(qū)中電子設備的使用導致對電池的需求。近年來，鋰離子電池由于其高能量密度、長循環(huán)壽命和環(huán)境友好性而受到越來越多的關(guān)注。目前，碳材料由于其表面變化小、循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能量密度高、重量輕、壽命長、豐富等優(yōu)點，被普遍用作鋰離子電池的電極材料。本次我們使用活性炭來作為鋰離子電池的電極，并測試電池性能。

　　活性炭是常用吸附材料也是一種可以儲存能量的材料，因為它性能好、環(huán)保、價格便宜。但是適合電池電極使用的活性炭需要具有大表面積、高孔體積和高導電性，這些可以使用活化過程來改變。活化過程可以顯著影響活性炭的比面積、孔結(jié)構(gòu)和比電容。然而，化學活化也降低了碳電極的電導率和密度，導致較差的倍率性能和低體積能量密度。所以選擇正確的活化方式能提高鋰離子電池的性能。

　　鋰離子電池中使用的活性炭

　　我們通過掃描電子顯微鏡研究了炭化料和活性炭的形態(tài)。如圖1，炭化料形態(tài)顯示與晶粒尺寸的變化，并用直徑約為26.25微米的大的孔隙率。然而，活性炭的顆粒(圖1b-d)變得更小且均勻，平均直徑約為22μm。通過進一步增加放大，可以觀察碳和活性炭的表面。碳上的化學和物理活化過程顯示出相似的形態(tài)，沒有觀察到顯著的變化或結(jié)構(gòu)扭曲。炭化料樣品顯示出光滑的表面和一系列貫穿表面的條紋，而活性炭表面看起來光滑，帶有小碎片和越來越多的條紋。在高溫過程中，炭化料被活化成導電的活性炭，伴隨著氣態(tài)副產(chǎn)物如CH4、H2、CO和CO2的釋放。活化過程產(chǎn)生表面反應，這有利于活性炭多孔結(jié)構(gòu)的形成。

　　圖1：活性炭的SEM圖像(a)炭化料(b-d)不同活化方式制成的活性炭。

　　活性炭電極的電化學阻抗

　　EIS是研究離子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移動態(tài)信息的強大工具。如圖2所示，所有曲線在高頻時均呈半圓，低頻時呈直線。高頻區(qū)域Z′軸上的截距與通過電極表面SEI的電解質(zhì)的離子電導率相關(guān)。高頻到中頻范圍內(nèi)的半圓與電解質(zhì)和電極材料之間的電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)。在低頻的行為可以歸因于鋰離子的固態(tài)擴散(圖2的B)。

　　圖2：a電化學阻抗譜，b是阻抗與炭化料和活性炭角頻率平方根倒數(shù)之間的線性關(guān)系。

　　活性炭的活化過程通過減小顆粒尺寸和產(chǎn)生改善動力學性能的缺陷來增強電極的導電性。不同的活化方式具會得到更高的電導率，通過950℃下活性炭樣品的小而均勻的粒徑有利于移動并縮短離子的里程。樣品中的失真會增加空穴的數(shù)量，因此會增加轉(zhuǎn)移的電荷。在微晶中也更容易發(fā)生離子擴散，因為鋰離子具有相當寬的擴散路徑。這導致未經(jīng)活化的樣品中的離子擴散值高于750℃的活化樣品溫度。此外，活性炭中的缺陷會增加孔的數(shù)量，從而使更多的電荷快速移動。

　　活性炭鋰離子電池的電化學性能

　　充放電曲線評估了活性炭的的電化學性能，不同溫度活化的活性炭電極如圖3所示。CD測試是在0.25C的電流密度速率下進行的。活化溫度提高了充電容量。活性炭樣品的高充電容量為260.36mAh/g-1，而炭化料樣品的低充電容量為1.98mAh/g-1。這是因為活化的樣品可以吸收很多的鋰離子。放電曲線顯示三個不同的電位區(qū)域，這可能歸因于不同的機制。0到0.12V的區(qū)域?qū)�應于鋰離子從隨機取向的小分子堆疊中的微孔中脫出。0.12到0.8V的區(qū)域歸因于鋰離子從無序石墨烯層中脫出。高于0.8V的區(qū)域?qū)�應于鋰從各種邊緣位置或石墨烯層中含H-/O官能團的脫嵌。

　　圖3：炭化料和活性炭的放電/充電曲線。

　　在活性炭作為鋰離子電池的電極中，我們通過結(jié)合化學活化的方法和不同溫度下的物理活化，成功地制備了鋰離子電極用活性炭。所獲得的材料具有更高的層間距、表面積和結(jié)構(gòu)缺陷，這些都有助于鋰離子電池的電化學性能。活性炭電極的穩(wěn)定性在電荷存儲方面非常穩(wěn)定，50次循環(huán)后庫侖效率約為100%。與未活化相比，鋰離子電池中活性炭的電化學性能有所提高。研究測試表明，活性炭是用于鋰離子電池的可持續(xù)碳電極材料。

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