基于白果殼活性炭制備的超級電容及 電化學性能分析

陳冠霖，解雅雯

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121）

引言

由于世界各國對化石能源依賴性比較大，導致不可再生能源逐漸短缺，甚至不法工廠將廢水廢氣隨處排放，對人類的生活環境產生影響，能源危機不可避免地引起各個國家的重視，世界各國加大投資及開發尋求更加節能、可再生資源。純電動車電池的充電性能嚴重制約電動汽車的發展[1]。近年來超級電容器的發明越來越得到科學家的重視，超級電容器作為一種與傳統燃料電池相比更清潔的新型儲能元件，其具有的功率密度和能量密度皆優于傳統電池而廣泛用于電動汽車產業、自動化產業、航空航天及通訊產業等眾多領域。而電極材料中活性炭具有比表面積大、良好的導電性、價格便宜等優點，成為眾多電極材料中首選材料。

而備制活性炭的原材料可以從自然界中獲取，如煤炭、木材、竹炭、各類果殼等，利用廢棄材料再開發循環利用的方式，減少不可再生資源的消耗。我國作為一個農業大國，物產豐富，而白果殼含碳量較高，是一種良好的活性炭原材料，我國年產量約為10 萬噸，廢棄白果殼最多充當燃料，絕大部分白果殼作為生活垃圾未能得到充分利用。本研究以白果殼為原料，采用傳統物理活化法備制高比表面積活性炭制作電極材料并對其電化學性能測試與分析。

1 材料和方法

實驗材料：實驗材料采用廢棄白果殼，由無錫某水果市場提供。

實驗器材：SX2-10-12 箱式馬弗爐，研磨機，Φ300 mm × 500 mm（管式爐直徑300 mm）不銹鋼管式爐，全自動比表面積分析儀，研缽，電化學工作站等。

實驗流程：

材料選擇——原材料預處理——碳化——活化——水洗烘干——成品

原材料預處理：將白果殼在粉粹機中粉碎,用實驗用水清洗，并煮沸20min，靜置。放涼后放置烘箱120℃烘干。烘干后用研缽磨碎，過篩。

制備過程：稱取20g 過篩后的原材料放入馬弗爐中碳化。溫度設定范圍為600℃，當溫度達到設定值，保溫碳化1.5h，完成后冷卻置入石英舟中。將碳化后的原材料放入石英舟，設置好不銹鋼管式爐溫度為900℃和活化時間為1h，通入氮氣。將管式爐設置為15 分鐘后加熱，以25℃/min 升至指定溫度，將石英舟推入管式爐，當管式爐中溫度達到900℃時通入水蒸氣，水蒸氣流量設定為2mL/min。保持活化1h。活化結束后等溫度降至室溫，取出。

水洗烘干用熱實驗用水將樣品進行水洗，去除污染物。水洗后放置烘箱，溫度設定為130℃烘干得到活性炭，稱量。稱取10mg 活性炭成品，加入5%聚四氟乙烯粘結劑，用攪拌棒攪拌至粘稠，均勻涂在泡沫鎳上，在90℃真空環境下干燥36h，使用液力沖壓機在10MPa 壓力下沖壓60s 成片。

2 測試

2.1 循環伏安測試

通過循環伏安測試可以表現材料的反應和可逆程度，圖1 為在1m V/s 掃描速率下的循環伏安曲線，可以看出，活性炭的循環伏安曲線都具有典型的矩形電勢窗口，說明模擬電容器具有良好的充放電可逆性，說明白果殼活性炭電極材料具有較好的電容特性和倍率性能。

恒電流充放電測試：恒電流充放電測試可以恒定的電流記錄電位的變化情況。可根據以下公式計算電極材料比電容：

C 為比電容（F/g）；I 為放電電流（A）；△t 為放電時間（s）；m 為電極材料中活性炭質量（g）。

圖1 循環伏安曲線

表1 不同電流密度下電極材料的比電容

循環充放電測試對活性炭電極材料是否可逆具有重要的參考價值。圖2 為50m A/g 電流密度下成品電極材料的1000次循環充放電測試。由圖2 可知，在0～200 次循環測試中成品電極材料比電容下降趨勢較快，在200～1000 次循環充放電測試中成品電極材料比電容緩慢下降但下降趨勢逐漸平穩，且經過1000 次循環后，白果殼活性炭電極材料比容保持率為85.9%，說明通過白果殼備制活性炭電極材料可逆性能比較可觀。

圖2 50m A/g 電流密度下白果殼活性炭電極材料的 1000 次循環充放電測試

3 結論

本實驗主要研究了利用白果殼是否能備制出理想活性炭作為電極材料，并對其進行電化學性能分析，得出以下結論：

（1）白果殼作為碳源，備制工藝條件為：碳化溫度為600℃，碳化時間為1.5h，活化溫度為900℃，活化時間1h，水蒸氣流量2mL/min。在該工藝條件下白果殼活性炭得率為23.22%，比表面積為1103.54m2/g。

（2）在50m A/g 電流密度下，白果殼活性炭經1000 次循環后電容保持率為85.9%，是一種較為理想的電極材料。

（3）傳統物理活化法較于化學活化法備制活性炭雖然應用廣泛，成本低廉，對環境污染小，制作要求較低，但在碳得率以及電化學性能方面任低于化學活化法。