活性炭全固態(tài)超級電容器的電容行為

　　儲能設(shè)備的開發(fā)對于可變電子學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。在可用的各種儲能設(shè)備中，電化學(xué)超級電容器由于其高功率密度，長循環(huán)壽命，耐用性和穩(wěn)定性而成為有前途的候選者。此外，這些類型的電容器也適用于各種應(yīng)用，包括便攜式設(shè)備，電動汽車和儲能系統(tǒng)。這些應(yīng)用不僅需要高電容來運(yùn)行，而且還需要循環(huán)穩(wěn)定性。為了開發(fā)諸如便攜式設(shè)備，下一代顯示器和電動車輛之類的技術(shù)，還需要持續(xù)開發(fā)包括活性炭，石墨烯和碳納米管在內(nèi)的碳基活性材料。

　　活性炭是制備高性能電化學(xué)超級電容器的合適材料。可以通過物理/化學(xué)工藝用常見的材料制造活性炭，另外活性炭的疏水性會阻止電解質(zhì)離子吸收到電極界面。表面改性方法是克服此問題的根本原因之一，以賦予活性炭親水性。我們通過刮刀法將活性炭結(jié)合到鋁基板上，以生產(chǎn)全固態(tài)超級電容器。通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜表征了全固態(tài)超級電容器的電化學(xué)性能。還進(jìn)行了恒電流充電/放電測試，以顯示基于活性炭的超級電容器的穩(wěn)定性。通過表征其電化學(xué)性質(zhì)，例如在活性炭功能化后比電容的變化，可以證明這一點(diǎn)。還進(jìn)行了基于聚合物的固態(tài)電解質(zhì)的生產(chǎn)，以生產(chǎn)全固態(tài)超級電容器。

　　電極和活性炭超級電容器的制造

　　制備交流電和酸處理的交流電超級電容器的過程在圖1說明。將制備的鋁箔用乙醇洗滌并壓平(步驟1)，然后通過刮刀涂布法將電極漿料涂布在鋁箔上(步驟2)。將涂覆的鋁箔切成1厘米寬，4厘米長(步驟3)。通過深涂法將電極浸入凝膠聚合物電解質(zhì)中30分鐘，然后置于室溫下直至電解質(zhì)干燥(步驟4)。最后，將兩個電極以三明治結(jié)構(gòu)組裝，以生產(chǎn)全固態(tài)超級電容器。

　　圖1：通過刮刀法制備基于活性炭的全固態(tài)超級電容器。

　　通過FT-IR光譜確認(rèn)了活性炭上官能團(tuán)的引入(圖2)。在圖2d，羧酸根陰離子的羰基伸縮出現(xiàn)在峰值用于酸處理的活性炭。另外的峰也來自羧酸基團(tuán)的O–HCO延伸，這表明活性炭上的官能團(tuán)是通過酸處理引入的。在另一方面，在酸處理的活性炭峰值在原始活性炭圖的曲線圖中未觀察到。

　　圖2：活性炭和官能活性炭分散體與超聲處理1個小時。的FT-IR光譜Ç活性炭和d官能活性炭。

　　活性炭超級電容器的電化學(xué)性能測試方法

　　循環(huán)伏安法：使用電化學(xué)工作站在兩電極系統(tǒng)下于室溫下對活性炭充滿設(shè)備和酸處理的活性炭充滿設(shè)備進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)測量。所有CV測量值均以5–100mV/s-1的掃描速率范圍和0–1V的電位范圍記錄。

　　電化學(xué)阻抗譜：電化學(xué)阻抗譜(EIS)用于探測電極/電解質(zhì)界面處的電阻以及離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散。EIS測量是在室溫下使用電化學(xué)工作站進(jìn)行的，該工作站的頻率范圍為100kHz至0.01Hz，在開路電勢下的振幅為1mV(rms)。

　　充放電測量：使用電化學(xué)工作站在0至1V電壓之間以電流密度0.5–5Ag-1進(jìn)行一對交流和酸處理的交流活性炭超級電容器。通過室溫下的3000次充放電循環(huán)來測定循環(huán)穩(wěn)定性。

　　經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)酸處理的活性炭制成的超級電容器。酸所有CV曲線顯示準(zhǔn)矩形形狀，這表明酸處理的活性炭具有理想的電化學(xué)性能和優(yōu)良的可逆性。在低頻下，線的斜率增加，表明其低擴(kuò)散電阻。酸處理的活性炭的電容行為增強(qiáng)了。比電容是相對于增加，從而增加掃描速率，這可能是由于缺乏高掃描速率下的充電/放電時間所致。活性炭和酸處理過的活性炭的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)HNO3對活性炭的表面腐蝕有影響。酸處理過的活性炭中的氧含量官能化之后增加，而碳含量減少。氧含量的增加表明，通過將親水性基團(tuán)引入活性炭，可以使活性材料與電解質(zhì)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。

　　活性炭全固態(tài)超級電容器的電容行為，物理性質(zhì)在活性炭功能化之前和之后，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡測量活性炭的粒度。發(fā)現(xiàn)了羧酸根陰離子和羧酸的羰基延伸。另外，使用刮涂法成功地制造了酸處理的活性炭超級電容器。經(jīng)過酸處理的活性炭才會電容器在循環(huán)伏安圖中顯示出電容電流，表明在各種掃描速率下的典型電容行為。用于酸處理的活性炭制成的電容器電容值比較高。經(jīng)過3000次充電/放電循環(huán)后，酸處理過的活性炭顯示出95%的高循環(huán)穩(wěn)定性。我們證明了用硝酸對活性炭的改性表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能。

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