活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭結合碳納米管制造超級電容器電極

　　由于工業和交通活動現在嚴重依賴化石燃料的燃燒，儲能已成為技術進步的主要驅動力之一。尋找環保、可商用且節能的系統是眾多研究工作的目標。電池、燃料電池和超級電容器是最常見的電能存儲設備，每種設備都基于不同的原理工作。在這項研究中，我們提出了另一種通過將活性炭與碳納米管相結合來制造高性能超級電容器電極的方法。

　　活性炭電極制造

　　通過將活性炭顆粒與碳納米管和炭黑以重量比分別混合：85/10/5和80/10/10來制備復合電極。這些混合物接受不同持續時間的超聲波處理。高電導率商用雙壁碳納米管用于電極制備。將碳納米材料以0.1mg/ml-1的濃度分散在異丙醇中。活性炭碳納米管的分散是通過將其置于600W超聲波浴中20分鐘，冷卻裝置設置為20℃來實現的。

　　為了制作電極膜，活性炭加碳納米管的分散體通過孔徑為5µm的PTFE膜過濾器進行真空過濾。通過在90℃下干燥2小時除去殘余的異丙醇。這一過程產生了機械堅固的交織碳納米管薄膜，將活性炭顆粒固定在一起。真空干燥后電極的厚度通常約為200µm，在10MPa壓力下壓制后厚度約為100µm。隨后，使用激光切割機將電極切割成直徑8毫米的樣品。生產活性炭和制造活性炭納米碳管電極的過程如圖1所示。

　　圖1：使用活性炭與碳納米管(不含聚合物粘合劑)制備電極的示意圖。

　　電極樣品的SEM圖像

　　圖2顯示了基于活性炭與碳納米管電極在放大倍率下的SEM圖像。顯示了涂有碳納米管的活性炭的均勻分布。大表面積的活性炭與導電碳納米管的結合增加了活性材料的質量，并導致電解質的高可達性。所得電極具有發達、均勻、多孔的結構，具有許多細胞。碳納米管在活性炭顆粒表面形成均勻的涂層，表現出強大的附著力，增強自支撐薄膜的形成。

　　圖2：所獲得的電極在不同分辨率、不同放大倍數下的SEM圖像。

　　電極性能測試

　　為了確定無金屬集流體的自支撐超級電容器電極的最佳組分比例，研究了具有不同比例的活性炭、納米碳管和導電添加劑的電極的電化學性能在圖3a表示。從圖中可以看出，這些電極的行為對于雙電層來說是典型的，如與具有雙電層的超級電容器具有相似幾何特征的曲線所示。雙電極電池配置的樣品的循環伏安曲線沒有清晰的氧化還原峰。

　　活性炭電極表現出比常規樣品更好的比電容和能量密度(相同功率密度下的最大能量密度為4.8vs.4.4Wh/kg-1)，因為有更多的活性材料，而電阻、倍率能力(圖3c)和功率密度—這取決于電極的導電能力(基于導電添加劑含量)。圖3d顯示了具有不同活性炭和碳納米管含量的電極在不同掃描速率下的比電容。碳納米管含量為10%的電極在1mV/s-1下實現了137F/g-1的最高比電容。從圖中可以清楚地看出，就比電容而言，活性炭和碳納米管的最佳比例為90:10。綜上所述，我們可以得出這樣的結論：對于超級電容器的自支撐電極，活性成分、結合成分和導電成分的最佳比例為85:10:5。可以進一步評估具有這種含有源自其他生物前體的活性材料的組合物的電極的電化學性能。

　　圖3：使用水性電解質(1MLi2SO4)在雙電極系統中測量的基于活性炭的電極電化學分析。

　　從電化學阻抗譜可以明顯看出電極的電導率、速率和功率處理能力的明顯區別。EIS的電壓幅度為5mV，頻率范圍為100kHz至10mHz。成分比例為85:10:5的電極表現出更好的電荷轉移能力和更高的離子擴散速率。圖4d表示在2A/g-1下進行的恒電流充電/放電循環穩定性測試。所有樣品均表現出超過96%的良好容量保持率。所有電極的庫侖效率均接近99%，表明在充放電過程中沒有發生副反應。

　　圖4：(a-c)幾種活性炭的電極EIS奈奎斯特圖，(d)電極在2A/g-1下超過5000次循環的GCD循環穩定性測試。

　　活性炭結合碳納米管制造超級電容器電極，這項研究為使用活性炭復合材料開發先進超級電容器電極提供了有前景的見解。利用各種生物質衍生的活性炭，再加上精確控制成分比例，使得電極在比電容、功率密度和能量密度方面表現出色。值得注意的是，活性炭、碳納米管和導電添加劑的85:10:5比例為最佳，表現出優異的電化學性能。此外，對不同生物質前體的檢查揭示了不同的電化學行為，強調了前體選擇在定制電極性能中的重要性。雖然某些電極表現出顯著的穩定性和倍率能力。總體而言，這些發現有助于高性能超級電容器技術的持續發展，并強調電極材料中多種生物質來源的潛力。在大多數電極中觀察到的卓越的電荷轉移能力、低電阻和高庫侖效率表明它們適合廣泛的能量存儲應用。

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