活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　隨著電能存儲的增加，社區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、長循環壽命和環境友好性而受到越來越多的關注。目前，碳材料由于其表面變化小、循環過程中結構穩定、能量密度高、重量輕、壽命長、豐富等優點，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、孔結構和比電容。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。如圖1，炭化料形態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，沒有觀察到顯著的變化或結構扭曲。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，伴隨著氣態副產物如CH4、H2、CO和CO2的釋放。活化過程產生表面反應，這有利于活性炭多孔結構的形成。

　　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移動態信息的強大工具。如圖2所示，所有曲線在高頻時均呈半圓，低頻時呈直線。高頻區域Z′軸上的截距與通過電極表面SEI的電解質的離子電導率相關。高頻到中頻范圍內的半圓與電解質和電極材料之間的電荷轉移有關。在低頻的行為可以歸因于鋰離子的固態擴散(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之間的線性關系。

　　活性炭的活化過程通過減小顆粒尺寸和產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量，因此會增加轉移的電荷。在微晶中也更容易發生離子擴散，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域，這可能歸因于不同的機制。0到0.12V的區域對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的區域歸因于鋰離子從無序石墨烯層中脫出。高于0.8V的區域對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、表面積和結構缺陷，這些都有助于鋰離子電池的電化學性能。活性炭電極的穩定性在電荷存儲方面非常穩定，50次循環后庫侖效率約為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碳電極材料。

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