影響果殼活性炭與各種電化學(xué)性能指標(biāo)的研究，碳質(zhì)材料從基本結(jié)構(gòu)上可分為晶態(tài)碳和無(wú)定形碳。晶態(tài)碳有三種晶狀體：金剛石四面體結(jié)構(gòu)、石墨層型結(jié)構(gòu)和cso球烯結(jié)構(gòu)。無(wú)定形碳則為這三種基本微晶結(jié)構(gòu)的雜臺(tái)體�；�本微晶結(jié)構(gòu)的不同決定了碳質(zhì)材料的電性能差異很大。恬性炭基碳質(zhì)材料以其多孔性及比電阻小，且不隨溫度、濕度、電壓、電流波動(dòng)而變化、具有充放電性能穩(wěn)定及能在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用等優(yōu)良特性而越來(lái)越受到電子專家的青睞，主要作為制備體積小、容量太的電子元件的電極材料。當(dāng)活性炭與電解液接觸時(shí)，就會(huì)在界面形成雙電層，從而構(gòu)成電荷存儲(chǔ)場(chǎng)所。一般說(shuō)來(lái)，活性炭的比表面積越大，形成的雙電層就越多，能儲(chǔ)存的能量就越大。實(shí)際上，由于活性炭比表面積與其結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。作為儲(chǔ)能用的活性炭材料，其表面積一般在1000～3。。0m2／g之間。就雙電層電容器的制造來(lái)說(shuō)，尋找合適的活性炭材料成為至關(guān)重要的步驟。雖然我國(guó)是一個(gè)活性炭生產(chǎn)和出口大國(guó)，但由于對(duì)雙電層電容器的認(rèn)識(shí)和研究剛剛起步，能夠用于雙電層電容器電極材料的廠家非常少。
    雙電層電容器所用電解質(zhì)的不同，對(duì)多孔碳質(zhì)電極材料孔隙結(jié)構(gòu)的要求不盡相同。然而有一點(diǎn)是相同的，即適合于該電解質(zhì)分子大小孔的孔容積越大，堆積密度越大，能量密度也就越大。這就需要開(kāi)發(fā)比表面積大、充填密度也大的活性炭。
    由于炭材料的比表面積、孔徑分布、材料的電導(dǎo)率以及表面狀態(tài)是影響超級(jí)電容器性能的重要指標(biāo)，因此炭材料的研究目標(biāo)是制備具有高比表面積、合理孔徑分布和較小內(nèi)阻的電極材料。多種炭材料用于超級(jí)電容器，如活性炭、碳纖維、碳納米管和炭氣凝膠。
    (1)活性炭
    果殼活性炭也是雙電層電容器(EDLc)使用多的電極材料，早在1954年就有以活性炭用于EDLc電極的專利。
    一般認(rèn)為，活性炭的比表面積越大，其比容就越高，通常認(rèn)為用大比表面積的電極材料來(lái)獲得高比容量。因?yàn)镋DI．c主要靠電解液進(jìn)入活性炭的孔隙形成雙電層存儲(chǔ)電荷，一般認(rèn)為水溶液中炭材料中2nm的孔對(duì)形成雙電層比較有利，如小于2nm以下的孔則很少有雙電層形成；對(duì)非水電解液，則該徑為5nm，因?yàn)榭讖竭^(guò)小時(shí)，電解質(zhì)溶液很難進(jìn)入并浸潤(rùn)這些微孔。
    因此這些微孔所對(duì)應(yīng)的表面積就成為無(wú)效表面積，所以需要對(duì)活性炭的孔徑和比表面積選擇一個(gè)佳范圍值，用以提高中孔的含量、充分利用有效表面積，從而增大電極的比容。
    自20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們?yōu)榱双@得高比容量的活性炭(actlvated carhon，簡(jiǎn)稱AC)電極材料進(jìn)行了大量的工作，目前用氫氧化鉀溶液活化的Ac電極比容量高可達(dá)4∞F／g。張寶宏等人采用c0一真空浸漬、堿性處理的方法對(duì)Ac電極進(jìn)行了修飾，結(jié)果表明，修飾后的Ac電極比容量提高了26 80％，電容器經(jīng)1∞0次循環(huán)使用，電容量仍保持在9l％以上，且該電容器漏電電流較小，其原因是co修飾后的Ac電極不僅產(chǎn)生雙電層電容，還產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的法拉第準(zhǔn)電容，它是co和Ac協(xié)同作用的結(jié)果。鄧梅根等人的實(shí)驗(yàn)表明，用比表面積為2∞Om0／g、孔徑在2～20nm的活性炭，在水系和非水電解質(zhì)中獲得280F／g和120F／g的比容，這是目前活性炭材料所能達(dá)到的大比容。
    (2)炭凝膠
    炭凝膠(carb㈣erogel)具有結(jié)構(gòu)可控性，在制備過(guò)程中通過(guò)調(diào)整原料的配比、反應(yīng)溫度及凝膠化時(shí)間，可有效地控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，從而控制炭凝膠的密度、比表面積、膠粒的大小、孔徑分布等。炭凝膠的制備一般分為三步，即有機(jī)凝膠的形成、超臨界干燥和炭化過(guò)程，其中有機(jī)凝膠的形成主要是得到適合的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。
    炭凝膠是一種質(zhì)輕、比表面積大、中孔發(fā)達(dá)、導(dǎo)電性好、電化學(xué)性能穩(wěn)定的炭材料，孔隙率高達(dá)80％以上的網(wǎng)絡(luò)膠體顆粒尺寸為3～20屬中孔納米級(jí)炭材料，比表面積為400～l】1om2／g，密度范圍為0．03～0 80g／cm3，電導(dǎo)率為10～25S／cm，它可以克服使用活陛炭粉末和纖維作EDLc電極時(shí)存在的內(nèi)接觸電阻大，使比表面積得到充分利用。
    (3)玻璃碳
    玻璃碳(glalik…rhon，簡(jiǎn)稱Gc)的電導(dǎo)率高、力學(xué)性能好，但透氣率低，結(jié)構(gòu)模型含有閉殼的微孔。文越華16]’等人認(rèn)為，若將玻璃碳的全部}玎孔打開(kāi)，使其整體呈納米級(jí)的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，則比表面積將有很大的提高，有望成為較理想的高功率電容電極炭材料。他們提出了新型的納米孔玻璃碳制備方法；以酚醛樹(shù)脂為原料，加入固化劑在250℃以下固化交聯(lián)，調(diào)節(jié)固化溫度以形成具有一定的變聯(lián)度而叉保持較高揮發(fā)分的固化物。然后研磨成粉，適當(dāng)加壓成型，使壓制體的顆粒之間留有一定的孔隙，炭化時(shí)揮發(fā)分易于擴(kuò)散排出，應(yīng)力作用大為減弱。因此，可快速升溫進(jìn)一步固化和炭化，并可使活化氣體能夠滲人體相，活化反應(yīng)物也能擴(kuò)散出來(lái)，從而制備出整體均被活化的納米孔玻璃碳，用作電化學(xué)電容器的電極材料性能良好。納米孔玻璃碳的結(jié)構(gòu)，介于玻璃碳和活性炭之間。
    (4)竹炭基活性炭
    劉洪波等人探討了竹炭基高比表面積活性炭作EDLc電極的充放電特性及其比電容與各種因素的關(guān)系。對(duì)炭化溫度、堿／炭比、活化溫度、活性炭收率與性能的影響及比電容與比表面和孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系、EDLc的充放電特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：控制適宜的炭化、活化工藝條件，可制得雙電極、比電容達(dá)5 5F／g的竹炭基高比表面活性炭。由它組裝的EDI—c具有良好的充放電性能和循環(huán)性能。但是內(nèi)阻過(guò)高，大電流下充放電時(shí)電容量下降過(guò)大。其特點(diǎn)：具有容量大、體積小、充放電簡(jiǎn)單快速、使用溫度范圍寬、電壓保持性好、充放電次數(shù)不受限制等。
    (5)納米碳管
    納米碳管是在1991年、由日本電鏡專家發(fā)現(xiàn)的一種新型的納米級(jí)炭材料，它是由石墨的碳原子層卷曲而成，由單層或多層石墨卷成的無(wú)縫管狀殼層結(jié)構(gòu)，具有很大的比表面積，管徑在0 4～100nm納米范圍內(nèi)。納米碳管用于EDLc電極材料，具有比恬性炭電極高很多的比表面利用率。有報(bào)道顯示基于納米碳管薄膜電極的比表面積為430m2／g時(shí)，比容達(dá)到45F/g，理論上在清潔石墨表面的雙電容量為20uF／cm2，以此推算納米碳管電極的電容量達(dá)到理論EDLc的57%，而活性炭電極2Ⅱm以下的孔對(duì)EDLc基本上沒(méi)有貢獻(xiàn)，從而限制了其電容量，所以對(duì)納米碳管來(lái)說(shuō)，由于孔管間空隙形成，其孔徑在2～5nm之間，全部屬于中孔范圍，從而具有很高的比表面積利用率。雖然目前生產(chǎn)的納米碳管的比表面積比活性炭低，但其電容量指標(biāo)已經(jīng)接近甚至超出了活性炭。重要的是納米碳管的一個(gè)典型特征是它的中空結(jié)構(gòu)。如果在制備納米碳管時(shí)將內(nèi)徑控制在2～5nm，并且使管壁盡量薄，就可保證電解質(zhì)溶液浸潤(rùn)納米碳管內(nèi)腔，EDLc電容量將明顯提高；另一研究表明在相同的電解液中，納米碳管電極的等效串聯(lián)，電阻明顯小于活性炭電極。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸作為電解液時(shí)，使用納米碳管電極時(shí)的電容器，其交流阻抗譜在250mHz以下出現(xiàn)“電荷飽和”，而活性炭電極的電容器，其交流阻抗譜在達(dá)到100mHz也未出現(xiàn)電荷飽和。納米碳管EDLc出現(xiàn)“電荷飽和”的頻率幾乎不隨電解質(zhì)變化。
    納米碳管和其他物質(zhì)制成復(fù)合電極材料也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。劉先龍等人通過(guò)表面氧化處理攙雜異元素，形成包覆等方法，可以有效地提高石墨類電極材料的電化學(xué)性能。用導(dǎo)電涂料的方法可改善炭電極的性能。納米碳管在電極材料方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，雖然目前仍在試驗(yàn)研究階段且價(jià)格高昂，但是作為EDLc電極材料的前景依然被看好。
    (6)碳纖維
    高效活性吸附的碳纖維是一種環(huán)保的炭材料，其密度(約0．1g／cm。低于活性炭密度(約O．5g／cm3)，因此用于EDLc具有質(zhì)量、比容量高的優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步提高AcF的比容量，科研工作者采用高溫氧化或電化學(xué)修飾的方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，并取得了較好的效果。
    另外，科研工作者也對(duì)其他炭材料和炭混合材料進(jìn)行了相關(guān)的研究，孟慶函。等人在高比表面活性炭中加入15％活性炭時(shí)，電極的比電容得到了很大的提高，放電時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，電化學(xué)性能有了明顯的改善。

    《影響果殼活性炭與各種電化學(xué)性能指標(biāo)的研究》源自：http://www.mbsbookkeepingseminars.com