生物質(zhì)基多孔炭電極材料的制備及其電化學(xué)性能探究

周 華

（開封大學(xué) 功能材料研究中心，河南 開封 475004）

0 引言

人類對傳統(tǒng)能源的過度開采利用導(dǎo)致了嚴(yán)重的能源短缺.因此，人類迫切需要開發(fā)可再生清潔能源，如風(fēng)能、潮汐能、太陽能等.這些綠色無污染的能源被稱為新型能源.當(dāng)前，如何高效快速地存儲電能成為一個研究熱點［1］.傳統(tǒng)的儲能器件有二次電池和普通電容器等，實踐表明，它們無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的應(yīng)用需求.在這種情況下，超級電容器應(yīng)運而生.超級電容器是介于二者之間的一種新型儲能器件，具有充放電速度快、循環(huán)穩(wěn)定性高、工作范圍寬等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在新能源汽車、低溫啟動和航空航天等領(lǐng)域.電極材料是決定超級電容器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，制備出性能優(yōu)異且價廉易得的電極材料是我們的目標(biāo)［2］.常見的電極材料有金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物和多孔炭材料等.其中，碳基多孔炭材料是商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的電極材料，具有能量密度高、成本低且循環(huán)壽命長等優(yōu)點［3，4］.傳統(tǒng)的多孔炭材料的碳源有瀝青、煤等.當(dāng)前，材料科學(xué)快速發(fā)展，有更多的富碳物質(zhì)被用來制備多孔炭材料.其中，以生物質(zhì)為原料進行碳基超級電容器電極材料的制備引起了人們廣泛的關(guān)注，這樣的生物質(zhì)有椰子殼、花瓣、樹葉等［5－7］.生物質(zhì)基電極材料的開發(fā)不僅拓展了生物質(zhì)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用空間，還實現(xiàn)了變廢為寶的目的.

1 實驗部分

1.1 電極材料的合成

將廢棄的面條菜莖稈洗滌干凈，置于80℃烘箱中烘干，備用.稱取上述生物質(zhì)2g放置于坩堝中，在管式爐中氮氣氛圍下進行碳化，升溫速率為5℃／min，升溫至900℃后保溫2h，冷卻至室溫.依次用1M HCl、蒸餾水洗滌至中性，標(biāo)記為SCLC.

1.2 電極材料的制備

將活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和乙炔黑（8∶1∶1）混合在瑪瑙研缽中，加入無水乙醇研磨均勻，烘干備用.將烘干的樣品稱取一定質(zhì)量，均勻涂覆在泡沫鎳（1cm×1cm）上，在10MPa壓力下壓成薄片，備用.

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)伏安曲線分析

炭材料SCLC的電化學(xué)性能測試在6M KOH電解液中采用三電極系統(tǒng)進行.首先考察了SCLC在10—100mVs－1掃描速率范圍內(nèi)的循環(huán)伏安曲線，電壓窗口為0—1V.結(jié)果如圖1所示.可以看出，隨著掃描速率的不斷提高，CV曲線的面積逐漸增大，曲線均呈現(xiàn)準(zhǔn)矩形且無氧化還原峰，說明電解液在炭材料中的存儲方式是雙電層電容形式［8］.

圖1 炭材料SCLC的循環(huán)伏安曲線

2.2 恒電流充放電曲線分析

為了進一步衡量炭材料SCLC的電容性能，我們考察了SCLC在不同電流密度條件下的充放電曲線.結(jié)果如圖2a所示.可以看出，在電流密度從1Ag－1增大至20Ag－1的過程中，GCD曲線均呈現(xiàn)出等腰三角形，且無壓降出現(xiàn)，說明電解液在炭材料中的存儲具有高度的可逆性.由此計算的比電容結(jié)果見圖2b.當(dāng)電流密度為 1Ag－1時，比電容為 176Fg－1；當(dāng)電流密度增大至 20Ag－1時，比電容為 96Fg－1.意味著炭材料具有較高的倍率特性［9］.

圖2 不同電流密度條件下炭材料SCLC的充放電曲線和比電容

2.3 阻抗測試

圖3為炭材料SCLC在0.01—105Hz范圍內(nèi)的交流阻抗圖，主要由高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的直線組成.由高頻區(qū)的半圓可以看出炭材料SCLC的電化學(xué)反應(yīng)阻抗，其半徑越小，說明電荷轉(zhuǎn)移電阻越小，即電解液的傳輸速率越快；而低頻區(qū)幾乎垂直于實軸的直線意味著炭材料具有理想的雙電層電容行為［10］.半圓與實軸的交點即炭材料的等效串聯(lián)電阻（ESR），從圖中可以看出，此時Rct為1.75Ω，再次說明SCLC是具有良好雙電層電容性能的碳基電極材料.

圖3 炭材料SCLC的交流阻抗

2.4 循環(huán)穩(wěn)定性測試

循環(huán)壽命是檢驗超級電容器電極材料的一個重要指標(biāo).我們對炭材料SCLC進行了循環(huán)穩(wěn)定性測試，考察炭材料在1Ag－1條件下1000次充放電曲線，并計算其電容保持率.圖4為循環(huán)壽命測試圖.從圖4中可以看出，SCLC的電容保持率高達99.5%，說明炭材料SCLC具有較長的循環(huán)穩(wěn)定壽命，是理想的超級電容器電極材料［11］.

圖4 炭材料SCLC的循環(huán)壽命顯示

3 結(jié)論

以廢棄生物質(zhì)面條菜的莖稈為原料，通過高溫碳化法，成功制備出具有較高電化學(xué)性能的炭材料SCLC.考察了三電極體系中炭材料在6M KOH電解液中的相關(guān)電化學(xué)行為.結(jié)果表明，炭材料SCLC在超級電容器的應(yīng)用中具有較大的潛力，是理想的碳基超級電容器電極材料.