活性炭用于制作超级电容器电极材料概述

王赛羽，周文凯

（西藏大学理学院， 西藏拉萨 850000）

超级电容器，又称超级电容器或电化学双层电容器，由于具有快速储存和传输能量的能力，已成为一种有前途的储能技术。其重要组成部分是阴极、电解液和隔膜，超级电容器的性能取决于阴极材质，阴极材质一般包括炭材质、过渡金属氧化物和导电性高分子等[1]。超级电容器弥补了常规电容器和太阳能池之间的空缺，提供了高功率密度和长循环生命周期，它的关键部件之一是电极材料，近年来，活性炭材质因其独特的适用性而受到了人类的关注。本文综述了生物质活性炭材料在超级电容器储能领域的研究和应用现状，旨在阐明活性炭材料作为超级电容器的关键组成部分的前景，鼓励读者思考超级电容器技术的未来发展方向。

1 超级电容器储能机理

“超级电容器”，也称作“电化学电容器”，拥有优异的特性，如低耗能、快速充放电、耐久性强、不会对周围空气造成污染[2-3]。与传统的电容器相比，它的电能密度范围更大，一般可达至kW/kg，是其十倍之多，甚至比锂离子动力电池的效果更好[4]。

超级电容器根据储存原理可以分为两种，一种采用多孔碳电池，另一种采用法拉第赝电池，它们都遵循了相同的储能机制。这两种电容器设计都遵循了双电层理论，即电池之间的电荷层之间的电量传输和电荷转移。“法拉第赝电容器”，又称“法拉第伪电容器”[5]，具备氧化还原（氧化还原反应）的功能，可以用来实现电容器的转换。目前，许多电容器的阴极材质都采用多孔碳介质，如活性炭、碳凝胶，以及最近出现的碳材料，如碳纳米管、石墨烯。由于其易于制备、化学性质稳定、导电性能良好，在很早便用于超级电容研究并最早最大规模地商业化。

当设备处于运行状态，它的储存原理就像图 1所示[6]。它将两个电极连接成一个整体，使它们之间的距离保持不变。当它们被充满电时，由于负离子的存在，它们会被分离，然后被送往另一个阴极。当它们被释放出来，负离子会被送往另一个阴极，而另一个阳极离子则会被带走，最终形成完整的系统[7]。双电层电容器是一种特殊的电子器件，它通常利用阴极/电解液的接触来进行离子吸附和/脱附，这是一种物质存储的方式，不会产生氧化或还原的效果，因此可以快速实现。超级电容器原理示意如图1所示。

图1 超级电容器原理示意图

2 活性炭电极的制备

活性炭是一种多孔炭质，它可以在工业生产中被粉碎、成型或者通过炭化来制造。其材料易得，目前研究中有用果壳、秸秆纤维、硬木、骨头等。制备方法在工业中也较为成熟，因此在电容器行业中脱颖而出，成为首选电极材料。

在活性炭的制备中，有不同的制作方法，制得的活性炭物理化学用途也大相径庭。目前，活性法已成为生产多孔碳的首选技术，其中包含气体活化法、化学药物活性法、碱金属活性法、氯化锌、磷酸活化法、二次活性法。这些技术的应用，可以极大地改善活性炭的比表面积，从而使其拥有更大的比电容量，因此，开发出更加高比表面积的活性炭，已成为超级电容器碳电极的重点研发领域[8]。

2.1 碱金属活化法

通过使用KOH作为催化剂，我们可以获得具有高比表面积的多孔炭材料，这种材料的体积小于3 000 m2/g，并且它具备高的比电容、高的能量密度和高的功率密度[9]。这些特点使它成为一种理想的催化剂材料。但由于实际工业生产中生产安全以及工艺设备等的制约，该方法在工业过程中的进度较为缓慢，暂未能大量生产。

2.2 氯化锌活化和磷酸活化法

经过氯化锌活化法及磷酸活化法处理，活性炭的性质及应用范围得到了极大的改善。根据王永芳等人的实验，在800～900 ℃的环境中，活性炭的孔隙率极其发达，其表层拥有大量的磷元素，这些元素会形成一种特殊的电极，从而提升活性炭的电极性能[10]。尽管目前尚无足够的研究来证明该物质的电化学稳定性，但如果它具备良好的稳定性，那么将它应用到实际的工程领域，将会带来巨大的发展空间。

鉴于超级电容器的电极需要具备良好的孔隙结构，一次活化的技术往往无法满足这一需求，为此，二次活化技术应运而生。近年来，许多学者利用二次活化技术，成功地生成了具有良好性能的超级电容器活性炭材料，其中，陈莉晶等人的实验表明[11]在使用椰壳制造的基础上，加入适量的水蒸气，可大大改善活性炭的吸附特性，从而获得更好的效果。在900 ℃的条件下，通过二次活化1 h，我们发现中孔的容量有了巨大的改善。在这种情况下，我们测得的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值都降至了 1 645 mg/g，而且它们的比表面积也降至了1 972 m2/g，同时，它们的总孔容积也降至了1.058 cm3/g。经过离子液体电解质超级电容器的应用，椰壳活性炭的容量大幅增加，最终可达106 F/g，相当于原料椰壳活性炭容量的2.5倍。此外，本次实验还发现，椰壳活性炭的容积也有了显著改善，最终可将容积增加至244 F/g ，甚至超过原来的6倍，最终可实现153 F/g的容积，而且它的能量密度也可达57 Wh/kg。我们期待着能够将这种技术应用于超级电容行业[11]。

3 超级电容器应用现状及前景

目前学术界对超级电容器的生物质活性炭电极材料的研究取得了一定的成果，但仍然在工业化中面临着不少的问题：

1)目前对于活性炭电极的研究大部分集中于寻找更优越的制备方法，而不同种类原材料制得的符合电极材料要求的活性炭所需最优条件不同，都需在实验中重新寻找。

2)随着钛酸锂电池的广泛应用，活性炭作为双电容的优势逐渐减弱，因此，采取二次技术，例如混合原子掺杂，可以获得更好的赝电容，以此改善它的性能。

3)尽管当前的新能源领域，超级电容器的价格下降，但它的能耗却大大增加，达到23倍的锂电池的能耗，并且具备更好的抗寒性能和更大的放电倍率。由于受其他因素的影响，超级电容器的性能已经大幅下降。超级电容器在新能源方面的前景并不乐观。

4 结语

活性炭具有巨大的潜力，可以用于超级电容器和燃料电池的储存和转化，但目前市场上使用的活性炭较少，主要用作辅助动力源。这主要是由于它的成本高，并且政府对它的支持相对较弱。但是，超级电容器所具备的使用寿命久、高充放电效率，是其他材料无法媲美的优势，只要找到适合自己生存发展的土壤，在未来必然有着巨大的发展潜力。