活性炭用于制作超級電容器電極材料概述

王賽羽，周文凱

（西藏大學(xué)理學(xué)院， 西藏拉薩 850000）

超級電容器，又稱超級電容器或電化學(xué)雙層電容器，由于具有快速儲(chǔ)存和傳輸能量的能力，已成為一種有前途的儲(chǔ)能技術(shù)。其重要組成部分是陰極、電解液和隔膜，超級電容器的性能取決于陰極材質(zhì)，陰極材質(zhì)一般包括炭材質(zhì)、過渡金屬氧化物和導(dǎo)電性高分子等[1]。超級電容器彌補(bǔ)了常規(guī)電容器和太陽能池之間的空缺，提供了高功率密度和長循環(huán)生命周期，它的關(guān)鍵部件之一是電極材料，近年來，活性炭材質(zhì)因其獨(dú)特的適用性而受到了人類的關(guān)注。本文綜述了生物質(zhì)活性炭材料在超級電容器儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，旨在闡明活性炭材料作為超級電容器的關(guān)鍵組成部分的前景，鼓勵(lì)讀者思考超級電容器技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 超級電容器儲(chǔ)能機(jī)理

“超級電容器”，也稱作“電化學(xué)電容器”，擁有優(yōu)異的特性，如低耗能、快速充放電、耐久性強(qiáng)、不會(huì)對周圍空氣造成污染[2-3]。與傳統(tǒng)的電容器相比，它的電能密度范圍更大，一般可達(dá)至kW/kg，是其十倍之多，甚至比鋰離子動(dòng)力電池的效果更好[4]。

超級電容器根據(jù)儲(chǔ)存原理可以分為兩種，一種采用多孔碳電池，另一種采用法拉第贗電池，它們都遵循了相同的儲(chǔ)能機(jī)制。這兩種電容器設(shè)計(jì)都遵循了雙電層理論，即電池之間的電荷層之間的電量傳輸和電荷轉(zhuǎn)移。“法拉第贗電容器”，又稱“法拉第偽電容器”[5]，具備氧化還原（氧化還原反應(yīng)）的功能，可以用來實(shí)現(xiàn)電容器的轉(zhuǎn)換。目前，許多電容器的陰極材質(zhì)都采用多孔碳介質(zhì)，如活性炭、碳凝膠，以及最近出現(xiàn)的碳材料，如碳納米管、石墨烯。由于其易于制備、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性能良好，在很早便用于超級電容研究并最早最大規(guī)模地商業(yè)化。

當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，它的儲(chǔ)存原理就像圖 1所示[6]。它將兩個(gè)電極連接成一個(gè)整體，使它們之間的距離保持不變。當(dāng)它們被充滿電時(shí)，由于負(fù)離子的存在，它們會(huì)被分離，然后被送往另一個(gè)陰極。當(dāng)它們被釋放出來，負(fù)離子會(huì)被送往另一個(gè)陰極，而另一個(gè)陽極離子則會(huì)被帶走，最終形成完整的系統(tǒng)[7]。雙電層電容器是一種特殊的電子器件，它通常利用陰極/電解液的接觸來進(jìn)行離子吸附和/脫附，這是一種物質(zhì)存儲(chǔ)的方式，不會(huì)產(chǎn)生氧化或還原的效果，因此可以快速實(shí)現(xiàn)。超級電容器原理示意如圖1所示。

圖1 超級電容器原理示意圖

2 活性炭電極的制備

活性炭是一種多孔炭質(zhì)，它可以在工業(yè)生產(chǎn)中被粉碎、成型或者通過炭化來制造。其材料易得，目前研究中有用果殼、秸稈纖維、硬木、骨頭等。制備方法在工業(yè)中也較為成熟，因此在電容器行業(yè)中脫穎而出，成為首選電極材料。

在活性炭的制備中，有不同的制作方法，制得的活性炭物理化學(xué)用途也大相徑庭。目前，活性法已成為生產(chǎn)多孔碳的首選技術(shù)，其中包含氣體活化法、化學(xué)藥物活性法、堿金屬活性法、氯化鋅、磷酸活化法、二次活性法。這些技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地改善活性炭的比表面積，從而使其擁有更大的比電容量，因此，開發(fā)出更加高比表面積的活性炭，已成為超級電容器碳電極的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域[8]。

2.1 堿金屬活化法

通過使用KOH作為催化劑，我們可以獲得具有高比表面積的多孔炭材料，這種材料的體積小于3 000 m2/g，并且它具備高的比電容、高的能量密度和高的功率密度[9]。這些特點(diǎn)使它成為一種理想的催化劑材料。但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)安全以及工藝設(shè)備等的制約，該方法在工業(yè)過程中的進(jìn)度較為緩慢，暫未能大量生產(chǎn)。

2.2 氯化鋅活化和磷酸活化法

經(jīng)過氯化鋅活化法及磷酸活化法處理，活性炭的性質(zhì)及應(yīng)用范圍得到了極大的改善。根據(jù)王永芳等人的實(shí)驗(yàn)，在800～900 ℃的環(huán)境中，活性炭的孔隙率極其發(fā)達(dá)，其表層擁有大量的磷元素，這些元素會(huì)形成一種特殊的電極，從而提升活性炭的電極性能[10]。盡管目前尚無足夠的研究來證明該物質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性，但如果它具備良好的穩(wěn)定性，那么將它應(yīng)用到實(shí)際的工程領(lǐng)域，將會(huì)帶來巨大的發(fā)展空間。

鑒于超級電容器的電極需要具備良好的孔隙結(jié)構(gòu)，一次活化的技術(shù)往往無法滿足這一需求，為此，二次活化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，許多學(xué)者利用二次活化技術(shù)，成功地生成了具有良好性能的超級電容器活性炭材料，其中，陳莉晶等人的實(shí)驗(yàn)表明[11]在使用椰殼制造的基礎(chǔ)上，加入適量的水蒸氣，可大大改善活性炭的吸附特性，從而獲得更好的效果。在900 ℃的條件下，通過二次活化1 h，我們發(fā)現(xiàn)中孔的容量有了巨大的改善。在這種情況下，我們測得的碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值都降至了 1 645 mg/g，而且它們的比表面積也降至了1 972 m2/g，同時(shí)，它們的總孔容積也降至了1.058 cm3/g。經(jīng)過離子液體電解質(zhì)超級電容器的應(yīng)用，椰殼活性炭的容量大幅增加，最終可達(dá)106 F/g，相當(dāng)于原料椰殼活性炭容量的2.5倍。此外，本次實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，椰殼活性炭的容積也有了顯著改善，最終可將容積增加至244 F/g ，甚至超過原來的6倍，最終可實(shí)現(xiàn)153 F/g的容積，而且它的能量密度也可達(dá)57 Wh/kg。我們期待著能夠?qū)⑦@種技術(shù)應(yīng)用于超級電容行業(yè)[11]。

3 超級電容器應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

目前學(xué)術(shù)界對超級電容器的生物質(zhì)活性炭電極材料的研究取得了一定的成果，但仍然在工業(yè)化中面臨著不少的問題：

1)目前對于活性炭電極的研究大部分集中于尋找更優(yōu)越的制備方法，而不同種類原材料制得的符合電極材料要求的活性炭所需最優(yōu)條件不同，都需在實(shí)驗(yàn)中重新尋找。

2)隨著鈦酸鋰電池的廣泛應(yīng)用，活性炭作為雙電容的優(yōu)勢逐漸減弱，因此，采取二次技術(shù)，例如混合原子摻雜，可以獲得更好的贗電容，以此改善它的性能。

3)盡管當(dāng)前的新能源領(lǐng)域，超級電容器的價(jià)格下降，但它的能耗卻大大增加，達(dá)到23倍的鋰電池的能耗，并且具備更好的抗寒性能和更大的放電倍率。由于受其他因素的影響，超級電容器的性能已經(jīng)大幅下降。超級電容器在新能源方面的前景并不樂觀。

4 結(jié)語

活性炭具有巨大的潛力，可以用于超級電容器和燃料電池的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化，但目前市場上使用的活性炭較少，主要用作輔助動(dòng)力源。這主要是由于它的成本高，并且政府對它的支持相對較弱。但是，超級電容器所具備的使用壽命久、高充放電效率，是其他材料無法媲美的優(yōu)勢，只要找到適合自己生存發(fā)展的土壤，在未來必然有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>