隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對(duì)超級(jí)電容器性能的要求也越來(lái)越高。目前，能量密度低和價(jià)格高是限制超級(jí)電容器發(fā)展的主要瓶頸，而決定超級(jí)電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素是電極材料的性能和成本。因?yàn)榛钚蕴坎牧媳缺砻娣e大、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低，是目前超級(jí)電容器首選的電極材料，本文將對(duì)超級(jí)電容用活性炭制備技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行論述。

　　活性炭電極材料的理想狀態(tài)是具有純度高、導(dǎo)電性好、比表面積高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、有效孔徑分布集中、成本低及穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，但這些性能指標(biāo)在一定程度上又相互矛盾、相互制約，因此，使各個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到一個(gè)優(yōu)化平衡對(duì)于對(duì)于提高超級(jí)電容器的性能具有重要的意義。

　　制備活性炭的原料非常豐富，煤、木材、椰殼、核桃殼、杏殼、棗殼、酚醛樹脂等富含碳的物質(zhì)經(jīng)炭化、活化后制得的活性炭都可作為超級(jí)電容器的電極材料。然而，活性炭的性能會(huì)隨著不同的活化工藝而各有差異，可以將活性炭的制備方法分為物理活化法、化學(xué)活化法和物理/化學(xué)聯(lián)合活化法。

　　工業(yè)活性炭最常用的制備方法是物理活化法

　　工業(yè)活性炭最常用的制備方法是物理活化法，在高溫下，通入水蒸氣、二氧化碳或空氣等氣體作為活化劑，炭原料與活化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使炭的內(nèi)部和表面都產(chǎn)生豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。水蒸氣是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的活化劑，Wigmans提出水蒸氣法制備活性炭的反應(yīng)式為: C + H₂O →CO +H₂ (ΔH =+117kJ/mol)。在800 ℃以上的實(shí)際活化過(guò)程中，還會(huì)發(fā)生以下可逆反應(yīng): CO + H₂O→CO₂ + H₂。

　　物理活化法制備活性炭對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，對(duì)設(shè)備腐蝕小，成本低，而且工藝相對(duì)成熟，工序簡(jiǎn)單，在制備植物果殼類活性炭時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其缺點(diǎn)是原料得率較低、活化反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、制得的活性炭吸附性能較差等缺點(diǎn)。

　　化學(xué)活化法因腐蝕、污染和殘留應(yīng)用受限

　　以KOH、NaOH、ZnCl₂、K₂CO₃、H₃PO₄等化學(xué)物質(zhì)為活化劑制備活性炭的方法是化學(xué)活化法，先將炭原料磨細(xì)后篩分，緊接著與活化劑按照一定比例混合，浸漬一段時(shí)間后，在300~500℃溫度下進(jìn)行脫水炭化預(yù)處理，然后500～900℃下進(jìn)行活化，最后，將活化產(chǎn)物進(jìn)行洗滌和干燥，得到活性炭樣品。

　　在活化過(guò)程中，活化劑與原料充分混合，通過(guò)一系列的交聯(lián)或縮聚反應(yīng)，形成數(shù)量眾多的孔隙結(jié)構(gòu)。KOH活化法是化學(xué)活化法中應(yīng)用最為廣泛的，被認(rèn)為是制備高比表面積活性炭最為有效的方法，常用來(lái)制備高性能超級(jí)電容器用活性炭，其反應(yīng)機(jī)理如下:

　　1：2KOH →K₂O + H₂O

　　2：C + H₂O →H₂ + CO

　　3：CO + H₂O →H₂ + CO₂

　　4：K₂O + CO₂ →K₂CO₃

　　5：K₂O + H₂ →2K + H₂O

　　6：K₂O + C →2K + CO

　　通常認(rèn)為，當(dāng)反應(yīng)溫度在500 ℃以下時(shí)，主要進(jìn)行的是KOH 的脫水反應(yīng)，隨著溫度的升高，會(huì)進(jìn)行式2和式3 的反應(yīng)，KOH起到催化劑的作用。反應(yīng)產(chǎn)生H₂ 、CO以及CO₂，產(chǎn)生的CO₂又會(huì)與K₂O 反應(yīng)生成K₂CO₃(反應(yīng)式4)。當(dāng)活化溫度繼續(xù)升高，超過(guò)金屬鉀沸點(diǎn)762℃時(shí)，會(huì)發(fā)生式5、6反應(yīng)，生成的金屬鉀會(huì)升華為鉀蒸氣，并且擴(kuò)散進(jìn)入活性炭的碳層結(jié)構(gòu)中進(jìn)行活化作用，形成豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。

　　化學(xué)活化法具有活化溫度低(一般400～600℃，KOH為700～900℃) 、產(chǎn)品孔徑易調(diào)控、比表面積大、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在對(duì)設(shè)備腐蝕性大、污染環(huán)境、產(chǎn)品中易殘留活化劑等缺陷，應(yīng)用受到限制。

　　物理/化學(xué)聯(lián)合活化法工藝復(fù)雜生產(chǎn)成本高

　　物理/化學(xué)聯(lián)合活化法是將物理法與化學(xué)法相結(jié)合共同對(duì)炭材料進(jìn)行活化，一般是先將原料與化學(xué)活化劑浸漬處理，然后在高溫下通入氣體活化劑進(jìn)行物理活化?；瘜W(xué)活化劑處理能夠提高原料活性并在材料內(nèi)部形成孔隙通道，利于氣體活化劑進(jìn)入孔隙內(nèi)刻蝕，使制得的活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。

　　物理/化學(xué)聯(lián)合活化法可通過(guò)調(diào)節(jié)炭材料與活化劑的配比、活化氣體流量、活化溫度等制備出具有合理孔徑分布的活性炭材料，但工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，一般適合高指標(biāo)特種活性炭的制備。

　　中南大學(xué)劉洪濤團(tuán)隊(duì)將源于各種原材料(包括煤、石油、木材、果殼等碳源)得到的顆粒狀活性炭粉碎、球磨、過(guò)篩，于300~500℃空氣氣氛條件下處理2.5~4.0h，得到粉末A：將A于氫氧化鉀按質(zhì)量比1:2.5~5.0充分混合，于流動(dòng)惰性氣氛中在400~500℃處理1.0~3.0h，得到粉末B：將B于流動(dòng)惰性氣氛中在700~900℃進(jìn)一步處理2.0~5.0h，得到活性粉末C：將C在惰性氣氛保護(hù)下冷卻至室溫后，依次用稀酸和水洗至溶液呈中性，抽濾干燥后即得。這個(gè)方法制備的電極材料具有高的比電容量和理想的循環(huán)充放電性能，能顯著增加活性炭的商業(yè)附加值。

　　結(jié)語(yǔ)

　　超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能元件，具有廣闊的應(yīng)用前景及巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。電極材料作為制約超級(jí)電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，成為目前研究的重點(diǎn)?；钚蕴坎牧弦?yàn)槠浔缺砻娣e大、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低，是目前超級(jí)電容器首選的電極材料，工業(yè)活性炭最常用的制備方法是物理活化法，化學(xué)活化法因腐蝕、污染和殘留應(yīng)用受限，物理/化學(xué)聯(lián)合活化法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，一般適合高指標(biāo)特種活性炭的制備。