活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭全固态超级电容器的电容行为

　　储能设备的开发对于可变电子学中的应用具有重要意义。在可用的各种储能设备中，电化学超级电容器由于其高功率密度，长循环寿命，耐用性和稳定性而成为有前途的候选者。此外，这些类型的电容器也适用于各种应用，包括便携式设备，电动汽车和储能系统。这些应用不仅需要高电容来运行，而且还需要循环稳定性。为了开发诸如便携式设备，下一代显示器和电动车辆之类的技术，还需要持续开发包括活性炭，石墨烯和碳纳米管在内的碳基活性材料。

　　活性炭是制备高性能电化学超级电容器的合适材料。可以通过物理/化学工艺用常见的材料制造活性炭，另外活性炭的疏水性会阻止电解质离子吸收到电极界面。表面改性方法是克服此问题的根本原因之一，以赋予活性炭亲水性。我们通过刮刀法将活性炭结合到铝基板上，以生产全固态超级电容器。通过循环伏安法和电化学阻抗谱表征了全固态超级电容器的电化学性能。还进行了恒电流充电/放电测试，以显示基于活性炭的超级电容器的稳定性。通过表征其电化学性质，例如在活性炭功能化后比电容的变化，可以证明这一点。还进行了基于聚合物的固态电解质的生产，以生产全固态超级电容器。

　　电极和活性炭超级电容器的制造

　　制备交流电和酸处理的交流电超级电容器的过程在图1说明。将制备的铝箔用乙醇洗涤并压平(步骤1)，然后通过刮刀涂布法将电极浆料涂布在铝箔上(步骤2)。将涂覆的铝箔切成1厘米宽，4厘米长(步骤3)。通过深涂法将电极浸入凝胶聚合物电解质中30分钟，然后置于室温下直至电解质干燥(步骤4)。最后，将两个电极以三明治结构组装，以生产全固态超级电容器。

　　图1：通过刮刀法制备基于活性炭的全固态超级电容器。

　　通过FT-IR光谱确认了活性炭上官能团的引入(图2)。在图2d，羧酸根阴离子的羰基伸缩出现在峰值用于酸处理的活性炭。另外的峰也来自羧酸基团的O–HCO延伸，这表明活性炭上的官能团是通过酸处理引入的。在另一方面，在酸处理的活性炭峰值在原始活性炭图的曲线图中未观察到。

　　图2：活性炭和官能活性炭分散体与超声处理1个小时。的FT-IR光谱Ç活性炭和d官能活性炭。

　　活性炭超级电容器的电化学性能测试方法

　　循环伏安法：使用电化学工作站在两电极系统下于室温下对活性炭充满设备和酸处理的活性炭充满设备进行循环伏安(CV)测量。所有CV测量值均以5–100mV/s-1的扫描速率范围和0–1V的电位范围记录。

　　电化学阻抗谱：电化学阻抗谱(EIS)用于探测电极/电解质界面处的电阻以及离子在电解质中的扩散。EIS测量是在室温下使用电化学工作站进行的，该工作站的频率范围为100kHz至0.01Hz，在开路电势下的振幅为1mV(rms)。

　　充放电测量：使用电化学工作站在0至1V电压之间以电流密度0.5–5Ag-1进行一对交流和酸处理的交流活性炭超级电容器。通过室温下的3000次充放电循环来测定循环稳定性。

　　经过反复测试发现酸处理的活性炭制成的超级电容器。酸所有CV曲线显示准矩形形状，这表明酸处理的活性炭具有理想的电化学性能和优良的可逆性。在低频下，线的斜率增加，表明其低扩散电阻。酸处理的活性炭的电容行为增强了。比电容是相对于增加，从而增加扫描速率，这可能是由于缺乏高扫描速率下的充电/放电时间所致。活性炭和酸处理过的活性炭的区别，发现HNO3对活性炭的表面腐蚀有影响。酸处理过的活性炭中的氧含量官能化之后增加，而碳含量减少。氧含量的增加表明，通过将亲水性基团引入活性炭，可以使活性材料与电解质之间产生强烈的相互作用。

　　活性炭全固态超级电容器的电容行为，物理性质在活性炭功能化之前和之后，通过场发射扫描电子显微镜测量活性炭的粒度。发现了羧酸根阴离子和羧酸的羰基延伸。另外，使用刮涂法成功地制造了酸处理的活性炭超级电容器。经过酸处理的活性炭才会电容器在循环伏安图中显示出电容电流，表明在各种扫描速率下的典型电容行为。用于酸处理的活性炭制成的电容器电容值比较高。经过3000次充电/放电循环后，酸处理过的活性炭显示出95%的高循环稳定性。我们证明了用硝酸对活性炭的改性表现出更好的电化学性能。

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