活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭在镍镉电池中的应用

　　镍镉(Ni-Cd)电池因其坚固耐用、在极端条件下性能可靠、循环寿命长而长期受到认可。然而，固有的缺点，如相对较低的能量密度、记忆效应和与镉毒性相关的问题，促使人们不断努力提高它们的性能。本文综述了活性炭在镍镉电池电极中的集成研究进展。由于其高表面积、优异的电子传导性和多功能化学性质，活性炭正成为一种有前景的添加剂，可以改善充放电动力学，减少极化效应，并可能减轻镍镉系统中的记忆效应。我们讨论了这种混合方法的合成、电极设计、电化学性能增强以及挑战和未来前景。

　　自20世纪初问世以来，镍镉电池因其坚固性和在恶劣条件下的性能而被广泛应用于从便携式电子产品到航空航天和军事系统的各种应用中。尽管有这些优点，但其相对较低的能量密度和众所周知的“记忆效应”促使人们对电极改性和新型复合结构进行研究。

　　同时，活性炭已被证明在现代储能中不可或缺，尤其是在超级电容器和先进电池中，这要归功于其高孔隙率和大比表面积，这有助于快速电荷转移并提供优异的吸附特性。本文研究了活性炭提高镍镉电池电极性能和耐用性的潜力，并讨论了其集成如何解决这种成熟电池化学的一些长期问题。

　　镍镉电池基础

　　镍镉电池在碱性(通常是氢氧化钾)电解质中通过氧化镍氢氧化物阴极和镉阳极之间的可逆氧化还原反应运行。现代镍镉电池中典型的“果冻卷”电极配置最大限度地提高了活性表面积，这对快速动力学和高电流输出至关重要。然而，由于记忆效应(局部放电循环可能导致有效容量降低)和与镉相关的环境问题等限制，需要改进电极结构。

　　活性炭的性质

　　活性炭的特点是：

　　高表面积和孔隙率：增强活性材料和电解质之间的接触。

　　优异的电子传导性：有助于电极内的高效电子传输。

　　化学稳定性：可承受镍镉电池典型的碱性环境。

　　吸附能力：可以在过度充电期间隔离杂质或释放的气体，从而可能缓解记忆效应等问题。

　　这些特性使活性炭成为储能装置的标准组件，特别是在超级电容器和混合电池系统中。

　　活性炭在镍镉电池中的集成

　　电极设计和复合材料形成

　　将活性炭结合到镍镉电极中可以通过几种策略来实现：

　　复合电极：将活性炭与传统的氢氧化镍或镉基活性材料混合可以改善电子传导网络。活性炭的多孔结构增加了有效表面积，促进了更快的氧化还原动力学。

　　粘合剂和导电添加剂：活性炭可以同时作为粘合剂替代品和导电添加剂，降低内阻，增强活性材料的均匀分布。

　　混合电极：已经提出了结合电池和电容器特性的新型架构(所谓的电池-电容器混合体)。这些混合电极利用活性炭的快速电荷存储来支持高功率应用，而传统的法拉第工艺则提供能量密度。

　　性能增强机制

　　活性炭的集成被认为可以通过多种机制提高镍镉电池的性能：

　　增强电子传输：活性炭颗粒形成的导电网络可以降低整体内阻，从而提高充放电速率。

　　增加电化学活性面积：多孔基质允许更好地渗透电解质，确保更多的活性位点参与氧化还原反应。

　　记忆效应的缓解：通过吸附副产物和缓冲局部离子浓度的快速变化，活性炭可能有助于缓解传统镍镉系统中观察到的记忆效应。

　　热管理：其高表面积也有助于分散高速充电/放电循环过程中产生的热量，从而可能延长电池寿命。

　　实验考虑和初步结果

　　初步研究表明，与传统配方相比，含有活性炭的电极在速率能力和循环稳定性方面有所提高。关键实验参数包括：

　　活性炭负载：需要优化以平衡电导率和表面积增加的好处与整体能量密度的可能降低。

　　粒径和表面化学：调整活性炭的孔结构和表面官能团可以进一步增强与镍镉电极材料的相容性。

　　复合材料制造技术：已经探索了浆料浇注和原位聚合等方法，以确保活性炭在电极基质中的均匀分布。

　　虽然详细的定量性能数据仍在不断涌现，但早期循环测试表明，混合电极的极化损耗较低，大电流放电性能得到改善。

　　挑战和未来前景

　　尽管前景光明，但仍存在一些挑战：

　　复合材料比的优化：确定活性炭与传统活性材料的理想比例对于最大化容量和功率密度至关重要。

　　长期稳定性：活性炭在镍镉电池碱性环境中的长期化学和机械稳定性需要进一步评估。

　　成本效益分析：虽然活性炭相对便宜，但它的加入必须导致整体电池性能和寿命的净改善，以证明任何增加的处理复杂性都是合理的。

　　环境影响：除了性能提升外，活性炭还可以在改善镍镉电池的回收和再利用过程中发挥作用，考虑到与镉相关的环境问题，这一点很重要。

　　未来的研究应侧重于先进的表征技术(如原位光谱和电子显微镜)，以阐明这些复合电极中的界面现象，并优化可扩展生产的制造方法。

　　将活性炭掺入镍镉电池电极为克服传统镍镉技术固有的几个局限性提供了一种有前景的策略。通过提高导电性、增加活性表面积并可能减轻记忆效应，活性炭基复合材料可以提高倍率性能、循环寿命和整体性能。在这一领域的持续研究不仅可以延长镍镉电池在利基应用中的使用寿命，还可以为下一代混合储能系统的开发提供有价值的见解。

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