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廣東韓研活性炭科技股份有限公司
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閱讀：166發(fā)布時(shí)間：2021-11-29
通過簡(jiǎn)單的化學(xué)活化過程使見的農(nóng)作物廢料轉(zhuǎn)變成了活性炭(AC)。此外，使用活性炭作為陰極和市售的Li 4 Ti 5 O 12作為陽極制造高能量密度的鋰離子電容器(LIC)。優(yōu)化的LIC實(shí)現(xiàn)能量密度為79.6 W h kg -1，并且還能夠提供4 kW kg -1的高功率密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他活性炭作為陰極的類似結(jié)構(gòu)。此外，基于活性炭的LIC顯示出巨大的循環(huán)性能，在2000次循環(huán)后保持85.2%的初始電容值。本研究為開發(fā)使用生物質(zhì)前體碳質(zhì)電極的高性能LIC提供了新的途徑。這些結(jié)果使得活性炭成為未來能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用的希望的候選者。
隨著*儲(chǔ)能市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，提出了緊急需求，滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，從便攜式電子設(shè)備到不間斷電源系統(tǒng)(UPS)和混合動(dòng)力汽車(HEV)。超級(jí)電容器(也稱為SC)和鋰離子電池(LIB)目前被*為將來應(yīng)用的兩種有希望的能量存儲(chǔ)解決方案。在技??術(shù)上，LIB的能量密度可達(dá)180 W h kg -1。盡管LIB具有低功率密度，但是它們已經(jīng)在大多數(shù)功率性能達(dá)到能量特性的情況下找到了它們的位置。雖然超級(jí)電容器具有低能量密度(小于10W h kg -1)，但它可以提供更高的功率密度(約10kW kg -1)比電池。普遍認(rèn)為，超級(jí)電容器將起到重要作用，如果不能*替代，可以在儲(chǔ)能領(lǐng)域補(bǔ)充電池。
容易批量生產(chǎn)的高性能電極材料是超級(jí)電容器被市場(chǎng)廣泛接受的先決條件。在過去十年中，從活性炭到CNT的碳基材料已經(jīng)被廣泛研究用作用于電化學(xué)超級(jí)電容器中的電極材料。最近，使用低聚物鹽作為前體制備活性炭來作為L(zhǎng)IC的電極材料，許多其他研究人員通過采用不同種類的聚合物合成各種碳材料。然而，來自各種來源(包括生物質(zhì)和有機(jī)聚合物)的大多數(shù)活性炭在非水電解質(zhì)中表現(xiàn)出相對(duì)較低的容量(?50mA hg -1)。然而，大多數(shù)來自聚合物的碳的研究涉及昂貴的聚合物，繁瑣的過程通常對(duì)健康有害。實(shí)際上，這些低容量含碳材料幾乎沒有商業(yè)化的潛力。在本研究中，我們首先通過LIC應(yīng)用的高溫?zé)峤夂突罨暮?jiǎn)單步驟展示了高容量的大表面積的活性炭。更具體地說，在市售的尖晶石相Li 4 Ti 5 O 12作為陽極的情況下，將用于LIC組裝中的陰極的活性炭(AC)作為陽極，在未來的儲(chǔ)能應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力。
使用電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)來確定活性炭的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。圖1顯示了活性炭的SEM和TEM圖像。樣品包括大密度的相互連接的微孔以及大孔?；钚蕴康腘 2吸附-解吸等溫線和孔徑分布(PSD)如圖2所示。顯然，介孔/大孔可以促進(jìn)質(zhì)量傳遞，從而確保電容器的功率性能。此外，充足的微孔的存在可以有效地增加電荷儲(chǔ)存的活性位點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)從N 2吸附 - 解吸等溫線獲得的活性炭的BET比表面積為?2646m 2 g -1，證實(shí)存在豐富的微孔。微孔體積為1.50cm 3 g -1，如從PSD的圖確定的。基于活性炭的半電池性能，活性炭與LTO的優(yōu)化質(zhì)量比約為2 ：1。然而，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變電極涂層的厚度間接控制質(zhì)量負(fù)載。因此，用具有不同質(zhì)量密度的材料準(zhǔn)確地確定電極的質(zhì)量負(fù)載是不切實(shí)際的。
活性炭的循環(huán)壽命對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，因此，以2 A g -1的電流密度確定所得活性炭// LTO LIC的循環(huán)曲線。如圖3所示，活性炭// LTO LIC在2000次循環(huán)后保持原值的85.2%。經(jīng)過2251次循環(huán)，達(dá)到原值的79.01%?？紤]到鋰離子電池經(jīng)常持續(xù)不到1000個(gè)循環(huán)，這些結(jié)果是可以忍受的。此外，可接受的衰減主要源自市售的Li 4 Ti 5 O 12的固有性質(zhì)。這個(gè)問題可以通過諸如活性炭涂層的各種方法來緩解或?qū)TO與其他材料如石墨烯和碳納米纖維集成。
綜上所述，以活性炭為陰極，以商業(yè)Li 4 Ti 5 O 12為陽極構(gòu)建高能密度LIC 。優(yōu)化的LIC 在200 W kg -1下的能量密度為79.6 W h kg -1，遠(yuǎn)高于一般活性炭基配置和使用碳質(zhì)材料作為陰極和LTO作為陽極的類似結(jié)構(gòu)?；诨钚蕴康腖IC還能夠提供4 kW kg -1的高功率密度，這是鋰離子充電電池的兩倍(<2 kW kg -1)。本研究為開發(fā)高能量密度LIC的農(nóng)業(yè)廢棄物高表面積活性炭的開發(fā)提供了新的途徑。此外，結(jié)果使活性炭成為未來能源儲(chǔ)存應(yīng)用的希望的候選者。
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