活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭在鎳鎘電池中的應用

　　鎳鎘(Ni-Cd)電池因其堅固耐用、在極端條件下性能可靠、循環壽命長而長期受到認可。然而，固有的缺點，如相對較低的能量密度、記憶效應和與鎘毒性相關的問題，促使人們不斷努力提高它們的性能。本文綜述了活性炭在鎳鎘電池電極中的集成研究進展。由于其高表面積、優異的電子傳導性和多功能化學性質，活性炭正成為一種有前景的添加劑，可以改善充放電動力學，減少極化效應，并可能減輕鎳鎘系統中的記憶效應。我們討論了這種混合方法的合成、電極設計、電化學性能增強以及挑戰和未來前景。

　　自20世紀初問世以來，鎳鎘電池因其堅固性和在惡劣條件下的性能而被廣泛應用于從便攜式電子產品到航空航天和軍事系統的各種應用中。盡管有這些優點，但其相對較低的能量密度和眾所周知的“記憶效應”促使人們對電極改性和新型復合結構進行研究。

　　同時，活性炭已被證明在現代儲能中不可或缺，尤其是在超級電容器和先進電池中，這要歸功于其高孔隙率和大比表面積，這有助于快速電荷轉移并提供優異的吸附特性。本文研究了活性炭提高鎳鎘電池電極性能和耐用性的潛力，并討論了其集成如何解決這種成熟電池化學的一些長期問題。

　　鎳鎘電池基礎

　　鎳鎘電池在堿性(通常是氫氧化鉀)電解質中通過氧化鎳氫氧化物陰極和鎘陽極之間的可逆氧化還原反應運行。現代鎳鎘電池中典型的“果凍卷”電極配置最大限度地提高了活性表面積，這對快速動力學和高電流輸出至關重要。然而，由于記憶效應(局部放電循環可能導致有效容量降低)和與鎘相關的環境問題等限制，需要改進電極結構。

　　活性炭的性質

　　活性炭的特點是：

　　高表面積和孔隙率：增強活性材料和電解質之間的接觸。

　　優異的電子傳導性：有助于電極內的高效電子傳輸。

　　化學穩定性：可承受鎳鎘電池典型的堿性環境。

　　吸附能力：可以在過度充電期間隔離雜質或釋放的氣體，從而可能緩解記憶效應等問題。

　　這些特性使活性炭成為儲能裝置的標準組件，特別是在超級電容器和混合電池系統中。

　　活性炭在鎳鎘電池中的集成

　　電極設計和復合材料形成

　　將活性炭結合到鎳鎘電極中可以通過幾種策略來實現：

　　復合電極：將活性炭與傳統的氫氧化鎳或鎘基活性材料混合可以改善電子傳導網絡。活性炭的多孔結構增加了有效表面積，促進了更快的氧化還原動力學。

　　粘合劑和導電添加劑：活性炭可以同時作為粘合劑替代品和導電添加劑，降低內阻，增強活性材料的均勻分布。

　　混合電極：已經提出了結合電池和電容器特性的新型架構(所謂的電池-電容器混合體)。這些混合電極利用活性炭的快速電荷存儲來支持高功率應用，而傳統的法拉第工藝則提供能量密度。

　　性能增強機制

　　活性炭的集成被認為可以通過多種機制提高鎳鎘電池的性能：

　　增強電子傳輸：活性炭顆粒形成的導電網絡可以降低整體內阻，從而提高充放電速率。

　　增加電化學活性面積：多孔基質允許更好地滲透電解質，確保更多的活性位點參與氧化還原反應。

　　記憶效應的緩解：通過吸附副產物和緩沖局部離子濃度的快速變化，活性炭可能有助于緩解傳統鎳鎘系統中觀察到的記憶效應。

　　熱管理：其高表面積也有助于分散高速充電/放電循環過程中產生的熱量，從而可能延長電池壽命。

　　實驗考慮和初步結果

　　初步研究表明，與傳統配方相比，含有活性炭的電極在速率能力和循環穩定性方面有所提高。關鍵實驗參數包括：

　　活性炭負載：需要優化以平衡電導率和表面積增加的好處與整體能量密度的可能降低。

　　粒徑和表面化學：調整活性炭的孔結構和表面官能團可以進一步增強與鎳鎘電極材料的相容性。

　　復合材料制造技術：已經探索了漿料澆注和原位聚合等方法，以確保活性炭在電極基質中的均勻分布。

　　雖然詳細的定量性能數據仍在不斷涌現，但早期循環測試表明，混合電極的極化損耗較低，大電流放電性能得到改善。

　　挑戰和未來前景

　　盡管前景光明，但仍存在一些挑戰：

　　復合材料比的優化：確定活性炭與傳統活性材料的理想比例對于最大化容量和功率密度至關重要。

　　長期穩定性：活性炭在鎳鎘電池堿性環境中的長期化學和機械穩定性需要進一步評估。

　　成本效益分析：雖然活性炭相對便宜，但它的加入必須導致整體電池性能和壽命的凈改善，以證明任何增加的處理復雜性都是合理的。

　　環境影響：除了性能提升外，活性炭還可以在改善鎳鎘電池的回收和再利用過程中發揮作用，考慮到與鎘相關的環境問題，這一點很重要。

　　未來的研究應側重于先進的表征技術(如原位光譜和電子顯微鏡)，以闡明這些復合電極中的界面現象，并優化可擴展生產的制造方法。

　　將活性炭摻入鎳鎘電池電極為克服傳統鎳鎘技術固有的幾個局限性提供了一種有前景的策略。通過提高導電性、增加活性表面積并可能減輕記憶效應，活性炭基復合材料可以提高倍率性能、循環壽命和整體性能。在這一領域的持續研究不僅可以延長鎳鎘電池在利基應用中的使用壽命，還可以為下一代混合儲能系統的開發提供有價值的見解。

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