果殼活性炭在電池和電能（雙電層電容器）儲存方面的應用
    “多孔”是果殼活性炭的主要特征，正是由于多孔從而決定了活性炭的巨大的比表面積和超強的吸附性能。根據(jù)國際純粹與應用化學會分類標準，果殼活性炭孔結構可分為微孔(<2nm)、中孔(2～50hm)和大孔(>50nm),果殼活性炭中不同孔徑的孔隙具有不同的功能和作用。孔徑小于2nm的微孔因數(shù)目多、比表面積大，所以對氣體分子、液體中的小分子或直徑較小的離子具有極強的吸附作用�？讖皆�2～∞nm范圍的孔是中孔，主要起輸送被吸附物質使之到達微孔邊緣的通道作用，以及在液相吸附中吸附分子直徑較大的噯附質的作用。孔徑大于50nm的大孔主要起運輸通道的作用。高比表面積活性炭的微孔容積占總孔容的8。“以上，其次是中孔容積，而大孔容積所占比例極小，一般可忽略不計。由于高比表面積果殼活性炭用作雙電層電容器的電極材料時，對形成雙電層起作用的主要是活性炭中的中孔和孔徑較大的微孔，所以有必要采取合適的工藝來調(diào)控高比表面積果殼活性炭的孔徑分布，使高比表面積果殼活性炭的孔徑分布主要集中在中孔，特別是直徑較小的中孔和直徑較大的微孔范圍內(nèi)，以提高果殼活性炭的比電容及其充放電性能。    
    果殼活性炭在電池和電能儲存方面的應用歷史悠久，炭材料早在19世紀初(1802年)就成為電池的電極材料，1930年就制成r活性炭電極電池，如果殼活性炭空氣電池、燃料電池、鈉一硫電池電極都是用果殼活性炭做成的。用果殼活性炭吸附電解質(可以是無機或有機電解質)為電極做成超大容量電容器，配合合理的放電電路設計，為蓄電池帶來了革命性的變化。這種電容器具有體曼小、重量輕、單位重量(或體積)能量密度大、充電快、無污染等優(yōu)越性能。
    超級電容器是近年來出現(xiàn)的一種新型能源器件，性能介于傳統(tǒng)電容器和電池之間，具有高功率、寬溫度使用范圍和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，按照儲能機理分為兩類：雙電層電容器和法拉第準電容器。在電極面積相同的情況下法拉第準電容是雙電層電容的10~i00倍左右。果殼活性炭材料電極電化學電容器是以雙電層電容的方式來儲存電荷的‘“。雙電層電容器是近年來發(fā)展起來的一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的高能量電能存儲元件，具有高功率密度(可為二次電池的lO倍以上)、高循環(huán)壽命(可lO次以上）、可快速沖放電和對環(huán)境無污染等優(yōu)點，因而廣泛應用于微機存儲器的后備電源、電動汽車啟動和爬坡時的輔助動力電源以及電機調(diào)節(jié)器和傳感器等。它作為一種理想的功率補償器件，可以起到降低所需電池功率和延長二次電池循環(huán)使用壽命的作用。
    隨著雙電層電容器應用領域的不斷拓展，國內(nèi)外關于各種炭材料用作極化電極的研究日益增多。在開發(fā)初期主要采用比表面積較大的果殼活性炭材料，炭氣凝膠由于高孔隙率和比表面積也被用作炭電極。日本和美國政府都設有相關的開發(fā)機構，美國能源部與美國三大汽車公司通用、福特和克萊斯勒共同組建了先進電池聯(lián)合體，日本設立了New sun shine開發(fā)機構，組成雙電層電容器的電極材料和電解液是影響其比電容的重要因素。雙電層電容器要求電極材料具有導電率高、比表面積大、成型性好、價格低廉且不與電解質發(fā)生電解反應或電化學反應等優(yōu)異性能。一般來說，比表面積越大的多孔材料其比電容也越大，以其作電極材料的雙電層電容器的電容量也越大。
    用作雙電層電容器的電極材料通常為高比表面積果殼活性炭、炭氣凝膠、碳納米管等，因其具有比表面積和比電容大、孔徑分布窄、化學穩(wěn)定性和導電性好等優(yōu)點，是制備雙電層電容器的佳材料。特種炭材料如電子行業(yè)鋰電池專用果殼活性炭與超級電容器用的超高比表面積果殼活性炭是一個學科前沿性的既有理論意義又有廣泛工程實際應用價值的研究領域。目前商業(yè)化的雙電層電容器大多以高比表面積果殼活性炭制作電極，電解液一般為酸、堿，如Hzsot、KOH等的水溶液，近來關于高分子凝膠、離子液體作為電解液的研究也逐漸增多[46，47].
    雙電層電容器的出現(xiàn)填補了傳統(tǒng)物理電容器與二次電池之間的能量存儲技術的空白。研制具有高容量、低成本、高可靠性的雙電層電容器是具有理論意義和實用前景的一項重要工作．也將激發(fā)一個巨大的新市場。美國、法國、俄羅斯等國家已經(jīng)研制出高性能的雙電層電容器，日本在20世紀70年代末首先開發(fā)了具有數(shù)法拉容量可快速充放電的雙電層電容器，1994年雙電層電容器市場銷售額達90～1∞億日元，20。0年超過100。億日元。這充分說明EDLc市場需求旺盛。預計雙電層電容器將在電力、鐵路、交通、醫(yī)療、軍事、通信等眾多領域有廣闊的應用前景，并日益成為世界各國能源研究的熱點，高比表面積果殼活性炭作為性能優(yōu)異的電極材料正突顯重要。我國在電容器的研究和開發(fā)起步均較晚，不少產(chǎn)品仍需依賴國外進口。
    雙電層電容器的作用原理如圖5 5所示。將一對固體電極浸在電解質溶液中，當施加電壓低于溶液的分解電壓時，在固體電極與電解質溶液的不同兩相間，電荷會在極短距離內(nèi)分布、排列。正負電荷會向相反的電極移動。從而形成緊密的雙電層(electnc double 1ayers)，電荷在電極和電解液界面上存儲，但不會通過界面轉移，過程中的電流基本上是由電荷重排而產(chǎn)生的位移電流，伴隨雙電層的形成，在電極界面形成的電容被稱為電雙層電容。
    能量以電荷或濃縮的電子形式存儲在電極材料的表面，充電時電子通過外電源從正極傳到負極，同時電解質本體中的正、負離子分開并移動至電扳表面；放電時電子通過載體從負極移至正極，正、負離子則從電極表面釋放并移動返回至電解質本體中。
    1945年美國通用電氣公司(GE)的Becker首先提出用焦油炭黑作極化電極的專利，但未在專利有效期內(nèi)得到實施。真正實用化的雙電層電容器極化電極是日本電氣公司基于美國sochn-o公司的專利用果殼活性炭粉末和電解液混合制成的果殼活性炭糊狀電極，與此同時，日本松下電氣也用自己開發(fā)的技術開始在世界上出售雙電層電容器。該公司從1986年開始用活性碳纖維制成超小型、高性髓的雙電層電容器后，直至20世紀80年代末，世界雙電層電容器市場基本上由日本這兩家公司獨占分享。H．Teng等人在雙電層電容器領域作了大量的研究，新的研究成果是將聚丙烯腈活性炭組織經(jīng)一定濃度的N1(No。)2溶液浸潤后制成電極，可得到比電容大于230F／g的電容器。此外，湖南大學劉洪渡等人也作了許多文獻報道5c]。聚苯胺(PA—N1)是一種常見的導電高分子，因其具有原料易得、制備方法簡便，良好的化學穩(wěn)定性、導電性和電化學氧化還原可逆性而深受人們重視。使用聚苯胺在果殼活性炭表面用原位聚合方法來提高果殼活性炭性能的研究也有報道。聚苯胺修飾果殼活性炭電極既可利用果殼活性炭的雙電層電容，叉可利用聚苯胺的準電容，能夠提高電容器的比電容。李仁貴等人研究了聚苯胺在果殼活性炭表面原位聚合制得的電極材料的電容性能，發(fā)現(xiàn)其電容性能得以提高。

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