生物质基多孔炭电极材料的制备及其电化学性能探究

2021-04-06周华

开封大学学报 2021年4期

周华

（开封大学功能材料研究中心，河南开封 475004）

0 引言

人类对传统能源的过度开采利用导致了严重的能源短缺.因此，人类迫切需要开发可再生清洁能源，如风能、潮汐能、太阳能等.这些绿色无污染的能源被称为新型能源.当前，如何高效快速地存储电能成为一个研究热点［1］.传统的储能器件有二次电池和普通电容器等，实践表明，它们无法满足人们日益增长的应用需求.在这种情况下，超级电容器应运而生.超级电容器是介于二者之间的一种新型储能器件，具有充放电速度快、循环稳定性高、工作范围宽等优点，被广泛应用在新能源汽车、低温启动和航空航天等领域.电极材料是决定超级电容器性能优劣的关键，制备出性能优异且价廉易得的电极材料是我们的目标［2］.常见的电极材料有金属氧化物、导电聚合物和多孔炭材料等.其中，碳基多孔炭材料是商业化应用最广泛的电极材料，具有能量密度高、成本低且循环寿命长等优点［3，4］.传统的多孔炭材料的碳源有沥青、煤等.当前，材料科学快速发展，有更多的富碳物质被用来制备多孔炭材料.其中，以生物质为原料进行碳基超级电容器电极材料的制备引起了人们广泛的关注，这样的生物质有椰子壳、花瓣、树叶等［5－7］.生物质基电极材料的开发不仅拓展了生物质在储能领域的应用空间，还实现了变废为宝的目的.

1 实验部分

1.1 电极材料的合成

将废弃的面条菜茎秆洗涤干净，置于80℃烘箱中烘干，备用.称取上述生物质2g放置于坩埚中，在管式炉中氮气氛围下进行碳化，升温速率为5℃／min，升温至900℃后保温2h，冷却至室温.依次用1M HCl、蒸馏水洗涤至中性，标记为SCLC.

1.2 电极材料的制备

将活性物质、粘结剂和乙炔黑（8∶1∶1）混合在玛瑙研钵中，加入无水乙醇研磨均匀，烘干备用.将烘干的样品称取一定质量，均匀涂覆在泡沫镍（1cm×1cm）上，在10MPa压力下压成薄片，备用.

2 结果与讨论

2.1 循环伏安曲线分析

炭材料SCLC的电化学性能测试在6M KOH电解液中采用三电极系统进行.首先考察了SCLC在10—100mVs－1扫描速率范围内的循环伏安曲线，电压窗口为0—1V.结果如图1所示.可以看出，随着扫描速率的不断提高，CV曲线的面积逐渐增大，曲线均呈现准矩形且无氧化还原峰，说明电解液在炭材料中的存储方式是双电层电容形式［8］.

图1 炭材料SCLC的循环伏安曲线

2.2 恒电流充放电曲线分析

为了进一步衡量炭材料SCLC的电容性能，我们考察了SCLC在不同电流密度条件下的充放电曲线.结果如图2a所示.可以看出，在电流密度从1Ag－1增大至20Ag－1的过程中，GCD曲线均呈现出等腰三角形，且无压降出现，说明电解液在炭材料中的存储具有高度的可逆性.由此计算的比电容结果见图2b.当电流密度为 1Ag－1时，比电容为 176Fg－1；当电流密度增大至 20Ag－1时，比电容为 96Fg－1.意味着炭材料具有较高的倍率特性［9］.

图2 不同电流密度条件下炭材料SCLC的充放电曲线和比电容

2.3 阻抗测试

图3为炭材料SCLC在0.01—105Hz范围内的交流阻抗图，主要由高频区的半圆和低频区的直线组成.由高频区的半圆可以看出炭材料SCLC的电化学反应阻抗，其半径越小，说明电荷转移电阻越小，即电解液的传输速率越快；而低频区几乎垂直于实轴的直线意味着炭材料具有理想的双电层电容行为［10］.半圆与实轴的交点即炭材料的等效串联电阻（ESR），从图中可以看出，此时Rct为1.75Ω，再次说明SCLC是具有良好双电层电容性能的碳基电极材料.

图3 炭材料SCLC的交流阻抗

2.4 循环稳定性测试

循环寿命是检验超级电容器电极材料的一个重要指标.我们对炭材料SCLC进行了循环稳定性测试，考察炭材料在1Ag－1条件下1000次充放电曲线，并计算其电容保持率.图4为循环寿命测试图.从图4中可以看出，SCLC的电容保持率高达99.5%，说明炭材料SCLC具有较长的循环稳定寿命，是理想的超级电容器电极材料［11］.